Diseño y ejecución de sistema picohidraulico a 12V con alternador de coche

[jamin89]

Buenos días.

Primero deberia de describir la situacion. Tengo una pequeña cabaña en una zona muy montañosa, en las inmediaciones recojo el agua de un manantial y la acumulo en un deposito de 1000l, de momento lo uso para la cabaña. Por supuesto esta aislada de luz y de agua, ahora tengo una bateria de 12v y un par de pequeñas placas con su controlador. Esto me vale para iluminacion LED pero ahora quiero introducir mas consumos ( musica y un ventilador para calefactar con la chimenea).

La parcela tiene 60m de caida (casi un precipicio jaja) pero un aprovechamiento basico me reduce a 30m con una distancia de unos 50m de tuberia forzada. Con estas caracteristicas logicamente usare un impulsor pelton. Como el sistema debe de ser de bajo coste he optado por usar un alternador de coche viejo, por tanto requiero velocidades de entre 1000-2000rpm. Buscando por la red he encontrado un excell bastante util que adjunto y me da los siguientes datos:Para un caudal de 15l/min tengo 25W y las siguientes combinaciones de impulsores.

No code has to be inserted here.los diametros en mm

Debido a que cuanto mas pequeño sea el impulsor y mas rpm mejor para mi creo que entre 80 y 100mm.

Aquí empiezan mis dudas,
¿El controlador de tension de la excitacion ajustara el par para que pueda girar el eje?
¿Seria conveniente que quitara el controlador original e instalara uno manual, ya que el alternador trabajara siempre con las mismas rpm? Creo que así podria regular las rpm y tension de salida.

Por otro lado debo solventar el problema de que la turbina se encontrara a 60m de la cabaña y no creo que deba llevar la corriente en continua, he pensado en el siguiente esquema, ya me direis que os parece.

Archivo adjunto 6239 Básicamente solo dejo la excitacion con el puente de diodos pero me llevo la produccion antes de que pase por el mismo, para dar estabilidad he pensado en introducir un condensador entre el puente de diodos y el controlador de la excitacion, aunque no creo que sea necesario.

Finalmente no se si conectar el sistema a la bateria mediante el controlador de carga (dice que es para solar y eolica) porque creo que se me quemaria el estator al cortocircuitar el circuito.no?


Espero vuestros consejos.

Un saludo.

Pd: no he podido adjuntar el Excell

[Eloisa McAndrew]

Pues....... pues, pues, pues

30 metros de desnivel; caudal de 0.25 lts/sg...... veo dificil que saques los 25 vatios que esperas obtener. Dispones de una potencia bruta de 30x.25x9.81= 73.5 vatios. Siendo optimistas quiza obtengas un 25% de ella en bornes del alternador; es decir, unos 18..... pero es que solo los enormes rodamientos dobles que tiene un alternador de coche ya se llevaran mas de 20 vatios por su propio rozamiento

Con 30 metros de desnivel obtendrias una velocidad de salida del agua por la tobera de 24 metros por segundo. La Pelton deberia tener idealmente una velocidad periferica de la mitad de eso; es decir, unos 12 metros por segundo. La primera turbina que propones, de diametro 82.3 cm, tiene un perimetro de 2.58 mts........... es decir..... deberia girar a 279 rpm, no a las 2.500 que sugieres

El regulador de serie del alternador es un desastre para una turbina. Cuando la bateria esta baja, mete toda la excitacion posible, el alternador produce toda la potencia que puede, y las rpm de la turbina bajan muchisimo. Por contra, cuando la bateria esta cargada, el voltaje sube, la excitacion baja, las rpm aumentan mucho, y la turbina se embala. Es casi imposible hacer girar la turbina dentro de su rango de maximo rendimiento. Yo te recomendaria excitacion fija (la justa para hacer girar la turbina en su rango de maximo rendimiento), y un regulador disipativo independiente

Un "truco" que te permitira bajar las rpm de trabajo del alternador sin demasiadas complicaciones es usar un alternador de 12 voltios.... pero montando un estator de uno de la misma marca y 24 voltios (los Bosch suelen tener piezas compatibles en ambos voltajes; por ejemplo alternador de seat 127, con estator de alternador de camion Pegaso) Ese montaje reducira las rpm de trabajo del alternador a la mitad (el bobinado del alternador de 24v tiene justo el doble de espiras que el de 12v; y el resto de las piezas las mantienes del de 12v)

Si no quieres llevar hasta la casa corriente continua, es facil: desmonta el alternador, suelda tres cables en los finales de las tres bobinas donde estan soldados al rectificador, y tendras corriente alterna trifasica que necesitara menos seccion de cable para su transporte. Posteriormente, ya en la casa, tendras que poner un rectificador trifasico en estrella que te dara la corriente continua deseada. El rectificador que tiene el alternador no deberas quitarlo, por que de ahi sacaras la excitacion, tanto si es fija, como si es regulada por el propio alternador

Por ultimo: vas a obtener como maximo uno o dos amperios de corriente de carga. Con tan poca intensidad es casi imposible sobrecargar una bateria, a poco grande que sea (una de camion ya son 180 ah). Casi me atreveria a decirte que no regules la produccion de la turbina, y hagas solo la regulacion mediante las placas solares

Espero no haberme equivocado en mis calculos

[jamin89]

Primero, gracias por tu atencion.

Respecto al caudal, lo podria variar cambiando la tobera, ya que como el uso no va a ser continuo me es indiferente, pero queria minimizar la perdida de carga dinamica.

Respecto a la potencia, sacare lo que pueda y tampoco necesito casi, ya que mi máxima es reducir los consumos.

Para los calculos no es que los haya hecho sino que los he sacado de aqui

http://www.rockyhydro.com/pgm-downlo...yHydroCalc.xls

Los diametros estaban en mm, no en cm.

El regulador de serie del alternador es un desastre para una turbina. Cuando la bateria esta baja, mete toda la excitacion posible, el alternador produce toda la potencia que puede, y las rpm de la turbina bajan muchisimo. Por contra, cuando la bateria esta cargada, el voltaje sube, la excitacion baja, las rpm aumentan mucho, y la turbina se embala. Es casi imposible hacer girar la turbina dentro de su rango de maximo rendimiento. Yo te recomendaria excitacion fija (la justa para hacer girar la turbina en su rango de maximo rendimiento), y un regulador disipativo independiente

Aquí esta el nucleo de tu conocimiento XD
Algo así me olia yo, entonces me recomiendas un regulador de tension fijo, ok, me parece una buena idea, podria ser algo como esto
DC Adjustable Converter de venta al por mayor con una óptima relación costo - beneficio.

Y para el puente de diodos en la casa algo asi.
Puente rectificador diodo 50A amperio 1000V SQL40A de 3 fases

Quedamos en que así podria estar bien ;D en serio, muchas gracias.

Un saludo

[Eloisa McAndrew]

Juer, perdon, si es que me hago mayor ya

Tienes razon, los diametros estan en mm. Las velocidades teoricas entonces coinciden con las que sugieres. (convendria tener en cuenta de cara a un diseño mas cercano a la realidad las perdidas de carga en tuberia forzada y tobera, que limitan la velocidad maxima del agua y, en consecuencia, las rpm) (y ojo con la rejilla de entrada del agua a la tuberia forzada, para un caudal tan pequeño tiene que ser muy estricta y se ensuciara con facilidad, pudiendo producir perdidas de carga importantes)

Respecto al regulador, la idea "elegante" es sustituir el rotor del alternador por uno hecho con imanes permanentes de neodimio..... Eso proporciona excitacion fija, suprime roces de escobillas (perdidas de rendimiento) y, por contra, es dificil de equilibrar (aunque con un poco de maña se puede hacer un equilibrado estatico aproximado, que toleraran perfectamente los enormes rodamientos que lleva un alternador de coche). Si prefieres mantener el inductor bobinado, pues es suficiente con que pongas resistencias en serie con el de diferentes valores hasta conseguir las rpm deseadas (las bombillas de coche son perfectas como resistencias disipativas)

Respecto al rectificador que se monte en la casa, no te compliques la vida: desarma un segundo alternador y usa ese rectificador. Ya va conectado para rectificar una corriente trifasica y ya lo hace en estrella, que es lo que necesitas. Los diodos que lleva son perfectos para eso

No des las gracias, para eso estamos (pero si quieres mandar una docena de botellas de vino de la ribera.... )

Edito para añadir, por que a veces predico una cosa y yo hago otra :
Actualmente tengo montadas dos turbinas hechas con alternador de automocion y en las dos mantengo su regulador original. Pero es que tengo "truco"
Genero bastante mas de lo que consumo. Asi que he construido un detector de voltaje que lo que hace es conectar un radiador electrico cuando el voltaje de bateria indica que esta cargada, durante un periodo de 30 minutos. La bateria se descarga y vuelve a comenzar el ciclo al cabo de esa media hora. Es una manera de utilizar el excedente que se genera en algo util
En tu caso, puesto que parece ser que no dispones de mucho caudal, un sistema asi podria usarse para hacer funcionar un servomotor que cerrase el paso del agua durante un tiempo predeterminado, para volver a abrirlo una vez pasado ese tiempo, y recomenzar el ciclo
De esa manera podrias "desentenderte" de la turbina, que automaticamente mantendria cargada la bateria, sin desperdiciar agua

[jamin89]

Utilizando el sigpac he hecho unas mediciones mas adecuadas y me quedo con, 60m de caida y 89m de tuberia de diametro interior 3/4".

Con 15l/min las presiones y perdidas dinamicas se quedan como sigue:

Static PSI 77,94
PSI loss due to pipe friction- 4,05
PSI Loss Percentage- 5,2%
Flow Velocity in Feet Per Second- 2,18 Es decir, me quedarian 73,89 PSI

Respecto al regulador, la idea "elegante" es sustituir el rotor del alternador por uno hecho con imanes permanentes de neodimio

Conozco los rotores de imanes permanentes, incluso me he planteado fabricarme el alternador entero, pero por precio queda descartada la opcion.

Si prefieres mantener el inductor bobinado, pues es suficiente con que pongas resistencias en serie con el de diferentes valores hasta conseguir las rpm deseadas (las bombillas de coche son perfectas como resistencias disipativas)

La verdad es que teniendo tan poca potencia disponible, y como creo que la excitacion se va a comer bastante creo que voy a optar por los reguladores que mostré ya que permiten una comoda regulacion y buen rendimiento.
Y los 3€ que cuestan los puedo pagar jaja.

Para los nuevos datos saco 51W de potencia en el eje (creo que incluye rendimiento del rodete). Y las siguientes combinaciones de diametros y RPM.

Turbine Diameter TARGET RPM
82,3 3549
99,4 2938
149,1 1959
198,3 1473 Diametros en mm



Y para variar........otra duda jajaja. Esto es asi te pones a pensar y no paras, ahora lo que me planteo es lo siguiente, Si quiero pocas revoluciones subo la excitacion (algo que me permite el regulador), pero el consumo de la misma empieza a ser considerable (3 omnios de resistencia por 12v me da 48W!!!), por otro lado si quiero bajar la excitacion los rodamientos empezaran a ejercer mucho rozamiento.......

A este dilema le veo una posible mejora, que es la de poner estator de 24V, o usarlo tal cual y hacer pruebas in situ viendo la potencia de salida segun voy regulando.


Un saludo

[Eloisa McAndrew]

El alternador tiene un umbral de rmp minimas por debajo del cual no genera voltaje suficiente, aunque metas toda la excitacion posible. Simplemente aportas potencia a la maquina y no la recuperas

A partir de esas rpm empieza a generar...pero la turbina empieza a frenarse, con lo cual el voltaje baja hasta que se equilibra (y la intensidad generada baja tambien)

Dicho de otra forma, si quieres generar mas, tienes que aportar mas par motriz. Y cuanto mas par aportes, generaras mas intensidad a determinado voltaje. Y una vez sabido el par motor que aportas, si estas trabajando por encima del regimen al que el alternador es capaz de convertirlo en potencia electrica, a mas rpm, menos excitacion; pero no mas potencia electrica generada. Por encima de la velocidad de giro a la que el alternador es capaz de esa conversion energetica, puedes escoger las rpm de trabajo que quieras a base de variar excitacion, pero NO por debajo de esas rpm de umbral. Por eso es recomendable rebajar ese umbral minimo de generacion a base de estator con mas espiras de bobinado; hay mas margen de maniobra

La web del regulador que sugieres no puedo abrirla. Pero mira que me extraña que vendan un regulador de tension para un alternador por 3 euros, eh? Si solo las escobillas de recambio ya valen casi eso

(Es la primera vez que veo que alguien hace calculos de estas cosas en pies por segundo )

[jamin89]

Bueno veo que la solucion va a ser montar el sistema y ponerme a regular viendo como va.

La web del regulador es es.aliexpress.com, esta es una web donde los fabricantes, chinos en su mayoria, ofrecen productos a precio de fabrica, la calidad a mi de momento me vale.Los que ofrecen por 3€ solo aguantan 3A asi que tendre que medir la resistencia del rotor para saber a que intensidades me voy a enfrentar. Se que comprarlo todo a china no es bueno para nuestra economia, pero luego resulta que voy a comprarlo a un distribuidor nacional y me ofrece lo mismo.

Respecto a los calculos he estado usando una tabla de un fabricante americano, asi que ya sabes, pies, pulgadas, galones.

Un saludo