A luta das Baterias

Tenho estado um pouco ocupado e o trabalho no aerogerador tem estado parado.

Construi uma nova torre, esta com 7 metros para usa-la como torre de teste antes de a enviar para o local definitivo. Brevemente farei um artigo sobre essa torre, posicionamento, esticadores, cabos de aço, ancoras etc etc.

A minha luta continua a ser o banco de baterias.
Neste momento já consegui duas usadas (estado - 80%) de 100AH por forma a receber carga do gerador.

Se tens em casa baterias estacionadas, então esta é uma tabela simples de verificação do estado das mesmas:



Uma bateria com 10Volts, é uma bateria morta.
Perfeito será manter as baterias sempre a 100%.
Em ultimo caso não se deve deixa-las baixar muito dos 50%.
Use um multimetro (vultimetro) para conferir as cargas e lembra-te que mesmo arrumadas, as baterias descaregam-se sozinhas!
Evitar a todo o custo a sulficação das placas.

Retirado do Wikipedia:
"Sulfation refers to the process whereby a lead-acid battery (such as a car battery) loses its ability to hold a charge after it is kept in a discharged state too long due to the crystallization of lead sulfate."
"Over time, lead sulfate converts to the more stable crystalline form, coating the battery's plates. Crystalline lead sulfate does not conduct electricity and cannot be converted back into lead and lead oxide under normal charging conditions. As batteries are "cycled" through numerous discharge and charge sequences, lead sulfate that forms during normal discharge is slowly converted to a very stable crystalline form. This process is known as sulfation."

As baterias novas são um roubo...
Se alguem conhecer uma "sucata" ou deposito de baterias que me seja permitido comprar as mesmas usadas aqui pelo norte, seria optimo.

Baterias de UPS tambem servem...mas serão necessarias um batalhão delas e preferencialmente devem estar todas no mesmo estado de funcionamento.

Ponte Rectificadora AC-DC

Após umas pesquisas no ebay e de ganhar o leilão, chegou a casa a ponte rectificadora que vai permitir rectificar AC para DC por forma a carregar as baterias.



Ponte trifasica de 60A por fase, que me dará uma boa margem de segurança quando o gerador estiver a dar o seu máximo (17A maximo com picos de 27A por fase).

Neste encapsulado encontra-se também 2 IGBTs de 85A que me permite usa-los como "reles" em função de "Dump load", ou seja desvio de toda a corrente do circuito para elemento resistivo (ex: aquecimento de agua) assim que o banco de baterias esteja completamente carregado, isto para que as baterias nao sejam danificadas!

O mesmo modulo, contem ainda 1 thermoresistor , que poderá ser útil na monitorização da temperatura do encapsulado... mas isso são outras nupcias.

Para estar seguro que isto tudo não vai arder, será necessario colocar um dissipador para cerca de 100W. Tendo em conta a queda de tensão nos diodos e a resistencia interna dos IGBTs quando estão fechados, esses 100W de dissipação serão suficientes.

O datasheet do componente para os mais curiosos.
http://www.auktions-bilderservice.de/aliasxtg/p330.pdf

Primeiros testes de Bancada

Quando temos um brinquedo novo, queremos de imediato pô-lo a prova.
Não sou excepção...

Ainda sem ponte rectificadora (procuro a bom preço um ponte trifasica 80A ou 3 pontes R. monofasicas de 50A cada...talvez os leiloes online tenha algo disto barato) iniciei os testes.


Como o resultado final é rectificar em corrente continua para carregar baterias, o problema de não ter as 3 fases completamente desfasadas 120º é despresivel.


Cada Fase é extraída do núcleo, atraves de um parafuso na periferia com os fios devidamente soldados a um olhal.
Com o multímetro em Volts alternados, consigo monitorizar 2 fases de cada vez.
Em primeiro só com um rotor, depois com os 2 rotores.



Com uma rotação de cerca de 120RPM consigo atingir os 14Volts, parece-me no bom caminho, visto que não existe um rotor frontal (em ferro com ou sem imans) por forma a encaminhar o fluxo dos imans de volta, completando o circuito e estando eu a medir somente 2 Fases.

Concluindo então 7 volts por fase que vezes as 3 fases do nucleo dará 21Volts.
Com o amperímetro directo em 2 fases, com muito esforço para rodar, visto que a resistência do multímetro é muito baixa (a +/-30RPM) obtenho 4 Amperes.
Não é possível testar a mais RPM pois a força necessária para rotação é enorme, devido ao disposto anteriormente.


Ao inserir o segundo rotor, tudo muda..neste caso...tudo duplica!



Consigo obter 30Volts (120RPM) em duas fases o que confirma a teoria de dual rotor.





A curiosidade tomou conta de mim e adicionei uma ponte rectificadora para apreciar resultados.
2 pontes para as 3 fases de 1.5A cada.
Liguei duas baterias em serie (Uma de 100A e outra de 3A 12Volts) as que tinha disponíveis em casa para testes e comecei a rotação manual.

Até que atingir os 24Volts a rotação é feita de forma livre e sem atritos.
A cerca de 120RPM alcanço os 24Volts e começa a carga nas baterias.
Aparece um ligeiro "zunir" que deverá ter a ver com a passagem de correntes.
Com ligeiros aumentos de rotação, passo de 500mA a 3A.
As baterias manteem e regulam a voltagem por forma a nao ultrapassar os 14.8Volts.
Com uma braçada mais forte (uma aumento súbito de 120RPM para 150RPM) o amperímetro dispara para os 9A...as pontes rectificadoras quase que derretem! É tempo de parar e deixar arrefece-las.
Acabei de produzir 200W onde deveriam passar somente 36W.

Em conclusão até esta fase, os cálculos prévios, feitos no papel são agora confirmados.

Com os provaveis picos de 50A a 300RPM as pontes rectificadoras tem que assegurar uma margem de segurança ao sistema.
Por isso, tal como escrevi no inicio, Uma ponte trifasica de 65A deverá ser suficiente.
Será adicionado tambem um dissipador a mesma, pois haverá dissipação de calor devido a queda nos diodos (uma dissipação a rondar 100W para 50A).

Nucleo de Bobines

A relação com todos os componentes é total e por isso deve ser tida em conta...

A voltagem varia com a proporção de RPM
O Alternador "casa" com as pás e com a voltagem das baterias, por forma a que o "cut-in" (chega a voltagem da bateria) seja feita a um determinado RPM e que "case" com o RPM das pás a um vento de 3m/s

A voltagem produzida é proporsional ao numero de voltas por bobine.
O dobro das voltas equivale ao dobro da voltagem, logo pode-se reduzir o cut-in a meio se duplicarmos as voltas de fio nas bobines.
Isto tudo é verdade..mas o senão é que mais voltas implica bobines maiores. Para se conseguir manter essas bobines dentro da mesma espessura reduz-se a espessura do fio. Por outro lado perde-se Amperes mas podemos manter os Watts se usarmos bancos de baterias com voltagem superior.

Para as contas de numero de voltas por bobine usei mais uma formula.
Entram parametros como "air gap" (a distancia entre imans), espessura das bobines, numero de bobines por fase, area do iman e a sua força e claro..o cut-in que queremos.

Feitas as contas obtenho 140 RPM cut-in com 73Voltas por bobine usando 2 fios de 1,2mm, o que ajuda bastante a descer a impedancia das bobines, podendo assim passar mais amperes pelos fios.

Montei um dispositivo manual de bobinagem... as voltas teem que ser contadas de cabeça...
Nao convem falhar!!! bem..no final pode-se pesar cada uma e ter a certeza que tem o mesmo numero de voltas.
Foram usados 3kg de cobre.



As bobines tem no seu interior espaço igual a area do Iman.




Usei 3 cores de fita-cola por forma a dar uma ajuda a destinguir as 3 fases.
A ligação é feita em estrela 3 a 3 num total de 9 bobines

Todas equidistantes, por forma que o rotor tenha sempre 3 imans no centro de 3 bobines da mesma fase aquando da sua passagem no movimento de rotação.


Nao tenho mais imagens de quando estava a criar o resto do molde, a tratar da resina epoxy e cortar a fibra de vidro... estava demasiado ocupado...
O Molde foi lubrificado com cera de madeira, de modo a poder retirar o conjunto das bobines sem que cola-se no proprio molde...Saiu perfeito somente após 60 minutos a secar!

Apresento-vos o resultado final apos retirado do molde.

Tem 3 parafusos de fixação e mais 3 no topo, onde terminam as ligações das 3 phases para o exterior.

Discos de Ferro e Imans

Cortados a laser com 300mm e 8mm de espessura
A espessura é o minimo recomendado para que nao haja perdas de fluxo nas costas do gerador. Por outro lado mantem a rebustês necessaria para que com a força dos Imans os pratos nao dobrem...



Nao entendes? Lê um pouco mais sobre "Axial Flux Dual Rotor".
Vão acomudar 12 imans em cada prato para 9 bobines (3 fases)

Os imans são inseridos segundo um molde, por forma a ficarem na posição correcta, equidistantes.

Os imans que usei são Neodimium 5 x 2.5 x 1.25 Grade N50... Imans Permanentes.
Cada iman é capaz de uma força de 80Kg... Isto não é um brinquedo, ferramentas voam ao pé disto!!... pior é que podem ficar entalados e podem mesmo fracturar dedos, esmigalhando ossos!

Colados com super-cola3 por forma a não deslizarem após a sua colocação.
As forças a que estarão submetidos são enormes, logo devem ser colados com solda-fria ou algo semelhante (resinas) por forma a que a fixação seja permanente.
São vendidos tambem imans já perfurados para fixação mais facil, mas estes foram os que arranjei.

Uma Ligeira Pintura para proteger da corrusão.


É importante que no prato exterior sejam perfurados mais 4 furos e criada rosca.
O Obejectivo é criar um dispositivo tipo "saca" pois será a unica forma de retirar o rotor para trás, assim que estejam um em frente ao outro.
Como disse anteriormente, cada iman é capaz de exercer uma força de 80Kg..
Agora multipliquem por 24 e vejam a força necessaria para separa-los!

Tubo para Torre e Apliques

Um pouco de pintura no ferro para evitar ferrugem.

Não é necessario nenhum rolamento no mastro para que o gerador eolico rode livremente conforme a direcção do vento. O rolamento iria alterar o comportamento do "furling"e complicar a construção...se não tem vantagens... não se inventa. Basta um pouco de massa conscistente.


4 Varoes roscados M12 no HUB


Tubo com 2 Metros para encaixe na torre de 12 Metros

Calibração e Finalização das pás

Após trabalhos de madeira, as pás, foram pintadas com varias camadas de tinta por forma a garantir alguma protecção a imtemperie.
De seguida duas camadas de verniz.
Será necessario no futuro uma certa manutenção (normalmente uma vez por ano), dando mais uma de-mão de verniz.
As pás necessitam ser calibradas. è importante que tenham todas o mesmo peso.
Apos isso são penduradas ao centro com um fio e acrescenta-se peso onde necessario.
Após inserida no Hub, deve ser novamente calibrada mas desta vez em relação ao centro. (as pás nao devem parar sem pre na mesma posição)


Trabalhos em madeira, Concluídos...

Um pequeno video, com as pás já acabadas e calibradas.

Teoria das Pás e trabalhos em madeira

As pás são como o motor de um gerador.
São elas que produzem toda a potencia mecanica.
O Alternador converte essa energia mecanica em energia electrica.
Ambas essas potencias podem ser medidas em Watts.
Potencia do vento disponivel por area das pás.
0,5 x (densidade do ar) x (area das pás) x (Velocidade do Vento)
- Densidade do ar é cerca de 1.2kg/m3

Este tipo de aero-gerador pode converter somente metade da potencia disponivel no vento.
Na pratica consegue-se cerca de 25-30%
A regra é esta:
Potencia pás= 0.15 x (Diametro ao quadrado) x (velocidade do vento)
Para um exemplo do gerador que estou a construir de 3 metros diametro a 10m/s de vento temos:
0.15 x 9 x 1000= 1350Watts

O diametro das pás é importante...com o dobro do diametro optem-se 4 x mais potencia.
Mas o vento é sem duvida o factor mais importante... com o dobro da velocidade, obtem-se 8x mais potencia.



As pás são desenhadas de forma a "casarem" bem com o gerador...
Ajustamos o torque e a velocidade!
A relação é o tip speed ratio (tsr) e o tip speed. O tip speed ratio é a velocidade do tip das pás viagam dividido pela velocidade do vento.
Quando a velocidade do tip sobe a mais de 100Km/h, resulta em ruido e degradação da ponta.


A velocidade que queremos começar a produzir, depende do torque do gerador.
Muito torque implica baixa velocidade...

Na construção deste gerador de 3m de diametro, quero saber a quantos RPM é o ideal para começar a carregar as baterias....neste caso 3m/s de vento.

A formula é:
RPM= Velocidade do vento x tsr x 60/circunferencia
RPM= 3 x 7 x 60/(3 x 3.14)= 134RPM

Assim sendo..maos a obra.
Pinho foi a madeira usada...é bastante forte e facil de trabalhar.
O Objectivo é ter 3 pás iguais com tsr 7
A madeira é dividida em estações e trabalhada com serrote, formão, lima e lixadeira



Nos links fornecidos anteriormente podem encontrar formulas, desenhos em excel por forma a calcularem todas as estações, espessuras e angulos.
Parece dificil?..demorei um total de 8 horas para as 3 pás!

Trabalho Metalico

Estas foram as primeiras ideias que usei do livro do Hugh Piggot.
Usei um HUB velho de um carro (4 parafusos). O rolamento nao teem folgas..logo é perfeito.
Adicionei um Ângulo de 10º ao HUB por forma a garantir um bom afastamento de segurança das pás a torre e nao confere nenhumas perdas significativas no total do aero-gerador.
O desvio do HUB ao mastro é cerca de 120mm.
Esta medida não necessita ser muito exacta, visto que pode ser compensada com o peso da cauda.
Está baralhado?...
Mais a frente iremos falar de como funciona o "furling" ou sistema de travão mecânico.




O Apoio da cauda não é fixo, tambem nao é centrado com o mastro, tendo um desvio ao centro de 35º e contem um Ângulo de queda de 20º.
O tubo usado para o mastro é de 75mm, (deveria ter usado 65mm para reduzir o peso total)...Mas era o material que tinha disponivel na altura que comecei as partes mecanicas.
No final..acabo por conseguir algo bem robusto.
Verifiquem sempre bem as soldas..esta parte é muito importante..e as forças a que esta parte será submetida são enormes.

E sem entrar em muito promenor, este foi o resultado final:

Dual Rotor Axial Flux

O gerador escolhido foi o DUAL ROTOR AXIAL FLUX
O Alternador é constituido por Imans permanentes super potentes, normalmente imans de neodimium Grade 50
O gerador será movido por pás de 3 metros de diametro.
Isto equivale a um gerador capaz de gerar1kw constante e picos de 2kw...
Por segurança devido a aquecimento das bobines, vou obtar por acionar o "furling" perto dos 800W (falarei do furling mais a frente)
24 Volts, media de 5m/s de vento, um gerador deste diametro fornece 160W, 4kWh ou 160AH

As opçoes de voltagem de saida normalmente são de 12 - 24 e 48 Volts
Optei por 24 Volts, visto os cabos da torre até ao banco de baterias, poderiam ser de secção mais reduzido tendo em conta que teria de trabalhar com 320AH e picos na ordem dos 100A se opta-se pelos 12 Volts.

O Alternador gera corrente alternada, que deve ser rectificada com pontes rectificadoras (3 pontes) capazes de deixar passar correntes na ordem dos 30A cada.
Com o aumento dos RPM a voltagem e amperagem sobem bastante, podendo chegar aos 100Volts 100A...por isso, cabe as baterias tratar da regulação, mantendo a saida no meu caso sempre a 24 Volts
As baterias de carro, sendo as mais baratas que encontramos no mercado, são tambem perfeitas para este serviço, pois são consideradas baterias de "Heavy duty".


Todo o trabalho teorico executado no aerogerador, teve ajuda de alguns foruns, livros e pesquisas pela internet.
Deixo aqui as referencias que usei:

http://www.scoraigwind.com/
http://www.otherpower.com/
http://www.fieldlines.com/
http://www.thebackshed.com/windmill/default.asp

No Forum encontram verdadeiros "Gurus" sempre disponiveis a tirar-vos as duvidas.

Deem por lá uma saltada.

DIY (Faça você mesmo) - Gerador eolico

No intuito de incentivar mais Portugueses na bricolage de Energias "verdes", crio este blogue para que possam retirar ideias de algo realmente pratico, educativo e rasuavelmente facil de construir.
Neste projecto, foram usados materiais acessiveis perto de sua casa.
Com isto, poderá apreender um pouco mais sobre vento, sol, electricidade, geradores, campos magneticos, energia solar, energia termica e conhecimento e pratica na "arte" de soldar a electrodo, solda a estanho, trabalho com resinas, bobinagem e trabalhos com madeira.
No final, para alem de todos estes aspectos de experiencia adquirida, poderá realmente usufruir e comprovar que todos podem ajudar o planeta com um pouco de "Energia Verde".
P.S. - O tempo para escrita é reduzido...por isso, qualquer erro ortográfico que surga...desde já as minhas desculpas.

Em Portugues...Sem autorização do autor, aqui fica um site com alguma teoria e um aerogerador de 100W.
http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/17/29/