IMPORTANTE
Las tecnologías
MILENIO son aquellas que serán útiles para vivir en el Milenio, que será la
época que vendrá después de la Tercera Guerra Mundial, los Tres Días de
Oscuridad y la Parusía. El Milenio ha sido descrito en numerosas profecías, que
concuerdan que será una época humana de gran felicidad, abundancia y paz. Habrá
desaparecido el individualismo y sería remplazado por la comunidad. Dejará de existir privilegios, dinero, bancos, mercado, consumismo, comercio, propiedad
privada (que produzca rentas, utilidades o intereses, pero habrá propiedad
personal), grandes concentraciones urbanas, electricidad, aparatos
electrónicos, industrialización, agricultura industrial, división de clases,
salarios, televisión, propaganda, manipulación de las mentes, Estado-nación,
ejércitos. La tierra será fértil y todo habrá sido regenerado. La gente vivirá
del trabajo de la tierra y lo producido será compartido. La actividad
productiva principal será el cultivo familiar de la tierra y surgirán
industrias artesanales. (ver: https://unihum2016parte3.blogspot.cl).
Previendo dicha
época se ha recopilado algunos conocimientos que serán requeridos entonces pero que no estarán
disponibles a causa de que no existirá el Internet. En consecuencia, si crees
que la información de los enlaces de esta página te va a servir, te será
conveniente que la imprimas y la guardes. También provéete de semillas de
hortalizas, legumbres y frutales, herramientas de
cultivo, mecánicas y de carpintería.
Manual de horticultura: https://unihummilenio1.blogspot.cl
Manual de fruticultura: https://unihummilenio2.blogspot.cl
Manual de deshidratación solar: https://unihummilenio3.blogspot.cl
Manual de invernaderos: https://unihummilenio4.blogspot.cl
Manual de sistema constructivo: https://unihummilenio5.blogspot.cl
Manual de industrias artesanales: https://unihummilenio6.blogspot.cl
Manual de industrias artesanales II: https://unihummilenio7.blogspot.cl
Manual de máquinas eólicas: https://unihummilenio8.blogspot.cl
Manual de granja familiar: https://unihummilenio9.blogspot.cl
Las máquinas a las que se refiere este manual transforman la energía del
viento en energía mecánica
CONTENIDO
I. Molino de viento
II. Vela para impulsar vehículo o embarcación
II. MOLINO DE VIENTO
A. CÁLCULO DEL MOLINO DE VIENTO
EJEMPLO
(Matemática básica)
|
|||
1. Parámetros determinados
|
|||
Densidad del aire, d
|
1,225
|
kg/m³
|
|
Densidad del agua, dw
|
1
|
kg/lt
|
|
Aceleración, g
|
9,8
|
m/s²
|
|
Ley de Betz, factor p
|
0,59
|
||
2. Parámetros
variables
|
|||
Velocidad del viento, vv
|
5
|
m/s
|
|
Velocidad del viento, vv
|
13,9
|
km/h
|
|
Velocidad viento máxima, vm
|
25
|
m/s
|
|
Velocidad viento máxima, vm
|
69,4
|
km/h
|
|
Promedio de viento diario, pv
|
0,25
|
día
|
|
Eficiencia de bombeo, e
|
0,8
|
||
Desplazamiento del eje, L
|
0,07
|
m
|
|
Tasa riego agrícola, tr
|
0,7
|
lt/s/Há día
|
|
3. Determinación de la altura, H
|
FÓRMULAS
|
||
Profundidad de pozo
|
4
|
m
|
|
Altura estanque elevado
|
5
|
m
|
|
Diferencia de nivel
|
7
|
m
|
|
Pérdida de carga
|
2
|
m
|
|
Total H
|
18
|
m
|
|
4. Determinación del caudal, Q
|
|||
Riego de 2000 m², rg
|
0,56
|
lt/s
|
rg = tr / (á pv)
|
Consumo, cd = 500 lt/día
|
0,0231
|
lt/s
|
cd = 500 / (pv 3600)
|
Total Q
|
0,583
|
lt/s
|
|
Q por medio ciclo
|
0,292
|
lt/s
|
|
5. Determinación de la potencia, Pb
|
|||
CV = 75 kg m / s
|
0,858
|
CV
|
Pb = Q H dw g / 75 e
|
6. Determinación de la hélice
|
|||
Área, Áh
|
6,921
|
m²
|
Áh = Pb g / 2 d vv³ c p (1-p)²
|
Lado del octógono, l
|
1,2
|
m
|
l = √Áh / 4,83
|
Apotema del octógono, ap
|
1,45
|
m
|
ap = l / 0,83
|
Diámetro del octógono, Do
|
3,1
|
m
|
Do = 2 √Áh/2 √2
|
Radio del octógono, Ro
|
1,55
|
m
|
Ro = Do / 2
|
Radio de trabajo, rt
|
1,085
|
m
|
rt = 0,7 R
|
Perímetro de trabajo, pt
|
6,8173
|
pt = 2 rt π
|
|
Ciclos con aspa a 45°, cc
|
81,807
|
RPM
|
cc = pt/vv
|
Ciclos con aspa a 45°, cc
|
1,363
|
RPS
|
cc = pt/vv 60
|
7. Determinación de la bomba hidráulica
|
|||
Relación eje/manivela, em
|
0,3
|
||
Largo manivela, lm
|
0,021
|
m
|
lm = em L
|
Empuje del eje, pe
|
27,84
|
kg
|
pe = Pb cc / 2 lm
|
Área del pistón, Áb
|
41,71
|
cm²
|
Áb = Q / L
|
Diámetro del pistón, Db
|
7,3
|
cm
|
Db = 2 √Áb/π
|
Volumen, Vh
|
292
|
cm³
|
Vh = Áb L
|
8. Factores para calcular una bomba neumática, bn
|
|||
Compresibilidad de los gases de Boyle
|
P1 V1 = P2 V2
|
||
Atmósfera (presión)
|
10,33
|
m.c.a.
|
|
Agua/Aire
|
816
|
||
Ampliación de ciclos
|
11
|
||
Medidas de
cilindro, h x diam
|
30x30
|
cm
|
bn = Vh/(h r² π (RPS x 11)/816)
|
9. Cálculo de resistencia
|
|||
Empuje axial viento, Tv
|
10,46
|
kg
|
Tv = 2 Áh d vv² p(1-p)/g
|
Empuje axial viento máx., Tm
|
261,59
|
kg
|
Tm = 2 Áh d vm² p(1-p)/g
|
B. ILUSTRACIONES
C. SUGERENCIAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL MOLINO DE
VIENTO
1. Hélice
En general, la hélice se compone de aspas y un eje
horizontal. Las aspas son de tela que se afirman en dos conjuntos de forma de
estrella de rayos paralelos, coincidentes y separados. Cada conjunto de rayos
se insertan en sendas masas que van firmemente adosadas al eje horizontal. Las
masas pueden ser de madera o de metal. El eje horizontal se prolonga en un
cigüeñal que se fija a la caja de transmisión.
Los rayos se construyen de perfil tubular, madera o
coligüe. Puestos que van de a pares, para darles mayor solidez, unir los
extremos exteriores y usar tirantes de alambre en las diagonales del rectángulo
que conforman. La separación entre ambos conjuntos de rayos (barlovento y
sotavento) es la mitad del largo de los rayos. La hélice puede constar de 6
(hexágono) ú 8 pares de rayos (octógono). El eje horizontal, las masas y los rayos
constituyen el esqueleto de la hélice.
Las
aspas de la hélice se construyen extendiendo tela entre un rayo de barlovento
al rayo siguiente a sotavento. Puesto que la distancia en el radio del centro
de la tela es menor que la de los rayos, la tela deberá plisarse algunas veces
para recoger radialmente la tela sobrante, hasta quedar tensa al ser afianzada
en los rayos respectivos. El borde de la tela que se fija al rayo puede tener
la forma de funda, dentro de la cual se dispone el rayo. Podrá usarse cualquier
tipo de tela, aunque la preferida es la lona cruda. Además de resistente, este
tipo de lona, una vez fijada como aspa, puede mojarse: cuando se seca se
contrae un tanto y el aspa quedará tersa. Para evitar que la tela se pudra, se
la puede pintar con esmalte sintético. El mismo procedimiento sirve para el
timón.
2. Transmisión
Usar
preferentemente piezas de acero a causa del esfuerzo que deberá resistir. La
transmisión consiste de una caja, un cigüeñal, un par de bielas paralelas y un
enganche al eje vertical oscilante. El radio de la manivela del cigüeñal deberá
ser menos de la mitad de las bielas. El diámetro que proyecta la manivela tiene
la longitud L, que es igual a la oscilación del eje vertical y del pistón de la
bomba hidráulica.
3. Timón
El
timón es un plano rectangular y vertical que se proyecta hacia barlovento. Se
puede construir de un bastidor tubular, de madera o de coligüe que se cubre de
tela. El borde a barlovento se afianza al borde exterior a sotavento de la caja
de transmisión mediante un sistema de bisagra. El timón tiene firmemente dos
posiciones fijas pero que pueden variarse desde el suelo: 1. perpendicular a la
hélice y 2. paralela a ésta o en posición bandera. Esta maniobra puede
ejecutarse mediante un cable delgado para abrir un pestillo que fija la
posición y un par de cables que hagan girar el timón a la posición deseada.
4. Torre
El molino de viento deberá colocarse en altura, a unos
6 metros del suelo, donde el viento es más estable y fuerte. La torre puede ser
confeccionada de metal o madera. Puede tener tirantes de cable para hacerla más
resistente a los vientos fuertes. El centro vertical de la torre debe quedar
libre para la oscilación del eje vertical. Si existiese pandeo de dicho eje,
este efecto puede evitarse mediante travesaños horizontales que tengan un buje
holgado del diámetro del eje vertical. La torre debe ubicarse sobre la fuente
de agua.
5. Bomba de agua o
hidráulica
Debe
estar a plomo debajo del molino de viento y quedar sumergida completamente.
Consiste en un cilindro dentro del cual se desplaza un pistón accionado mediante
un vástago del eje vertical. Tanto este vástago redondo como el borde de
contacto del pistón con el cilindro deben contener sellos que no ofrezcan roce
apreciable cuando se desplazan. El desplazamiento debe ser igual a la longitud
L. Cada extremo del cilindro lleva dos válvulas de retención inversas. Las
válvulas que permiten sólo la salida del agua en cada extremo del cilindro se
unen a la tubería de agua que conduce el agua fuera hacia el consumo, que es el
estanque elevado. Las otras dos válvulas de retención, que permiten sólo el
ingreso de agua deben permanecer siempre dentro del agua.
6. Sistema
hidroneumático
Si
bien el compresor deberá ubicarse adyacente a la polea menor mediante manivela
y biela, la ventaja de este sistema es que la bomba hidroneumática puede ubicarse
lejos del molino de viento, ya que el aire virtualmente no pesa. Por carecer
antecedentes experimentales, no se ha podido efectuar un método de cálculo
detallado, siendo la duda la mayor velocidad que deberá imprimirse al pistón
del compresor. Puesto que según el diseño descrito, la bomba hidroneumática es
de una acción, se deberá añadir un tanque neumático para acumular aire
comprimido mientras aquella está en su ciclo de rellenado de agua.
II. VELA PARA IMPULSAR
VEHÍCULO O EMBARCACIÓN
Previsiblemente, nuestra
era, sustentada en la abundancia de energía provista por los combustibles
fósiles, no podrá durar más. Frente a la imposibilidad para extraer y distribuir
estos combustibles, los motores que mueven nuestro sistema de vida quedarán
detenidos. Una buena fuente alternativa de propulsión es la energía eólica. Por
otra parte, las extensas y pavimentadas carreteras permanecerán sin tráfico
alguno y los mares quedarán sin navíos. Será la oportunidad para transformar
vehículos y embarcaciones a motor en eólicos. En el caso de un vehículo, habrá
que aligerarlo sacándole el motor y la carrocería e instalarle velas cuya
altura no podrá superar 4 metros para poder pasar debajo de los pasos sobre
nivel. En el caso de embarcaciones, se podrá dotarlas de velamen. El siguiente
manual se concentra en el diseño y el control teórico de un
vehículo/embarcación eólico, cediendo a personas con habilidades mecánicas el aporte
de soluciones practicables.
El viento es un
recurso que se distribuye irregularmente en el mundo. Mientras que existen
amplios territorios donde el viento escasea, en otros lugares los vientos son
intensos, siendo las superficies planas, marítimas y lacustres, donde el aire
se desplaza sin obstáculos. Además, en algunos lugares los vientos varían mucho
según las estaciones, siendo fuertes durante algunos meses y nulos en otros, y
diariamente, el viento varía cada hora. Habrá que considerar esta variabilidad
de este recurso energético. Asimismo, un vehículo no puede seguir un rumbo que
sea favorable a los vientos, sino que está obligado a proseguir por las vueltas
de una carretera, algunas contrarias al viento.
Se sugiere que en la
transformación de un vehículo con tracción trasera su árbol de transmisión
pueda ser girado mediante una palanca manual de oscilación longitudinal (más
conveniente fisiológicamente mediante manivela-biela-par de engranajes
cónicos-palanca para desplazar el vehículo cuando el viento se vuelve adverso o
nulo. Además, este mecanismo debe poder activarse o desactivarse a voluntad
mediante algún tipo de mecanismo como embrague.
1. Cuadrante para ir
manualmente posicionando la vela según el ángulo óptimo
Es importante para
esta tecnología eólica el control del ángulo óptimo de la vela. Hay que tener
en cuenta dos direcciones: la dirección del vehículo/embarcación y la dirección
del viento; y ambas cambian incesantemente, ya sea el vehículo/embarcación
siguiendo una carretera o la ruta más conveniente, ya sea el viento
comportándose por su cuenta sin previo aviso. La vela tiene que ser comandada
permanentemente para obtener el ángulo óptimo que permita transformar la fuerza
cinética del viento en la máxima fuerza de desplazamiento del
vehículo/embarcación. El ángulo óptimo depende de la dirección del
vehículo/embarcación y del viento. Así, el ángulo óptimo es la bisectriz del
ángulo formado por la dirección del vehículo/embarcación y la dirección del
viento
Se puede observar que
el ángulo óptimo, que está a 90°
del ángulo de la cuerda de la vela, tiene
el valor de la mitad del ángulo del viento. Así, el ángulo óptimo es la
bisectriz del ángulo del viento referido a la dirección del
vehículo/embarcación. El eje del “control manual del ángulo óptimo es operado
por un manubrio al que se adosa una polea en torno a la cual se enrolla un
rollo de la cuerda que controla la dirección de la(s) vela(s). El eje de la
veleta es gobernada por la veleta a través de cuerda y polea. Consiguientemente,
el control de la vela para que coincida con el ángulo óptimo que va señalando
continuamente la veleta en un vehículo terrestre y que, a falta de motores, se
efectúa manualmente, obliga a que su tripulación sea de dos personas. Una
persona dedicada permanentemente en guiar el vehículo por la carretera y la
otra en ajustar la vela al ángulo óptimo. Al parecer, en una embarcación del
tamaño que sea, que sigue trayectos más estables que un vehículo terrestre,
basta que tenga solo tres tripulantes si se consideran los turnos diarios.
2. Fuerzas que
resultan de la relación curso del vehículo/ embarcación, dirección del viento y
posicionamiento de la vela
La figura 2 ilustra
el ángulo óptimo de la vela en relación con la dirección del viento y del vehículo/embarcación.
Dónde:
d
es la dirección o desplazamiento del vehículo/embarcación
v
es la dirección del viento
α es el ángulo formado por d y v
b
es la bisectriz del ángulo α,
es el ángulo recto de la cuerda de la vela y es el ángulo óptimo
k
es la fuerza lateral ejercida sobre los obenques y sobre la estabilidad del
vehículo embarcaci
f
es la fuerza resultante en la dirección d
3. Cálculo
La Tabla 1 muestra el
ángulo óptimo de la cuerda de la vela en relación a la dirección del
vehículo/embarcación en diferentes ángulos del viento también en relación a
dicha dirección. La importancia de esta tabla es que con sólo la información de
la dirección del viento la vela se puede posicionar en su ángulo óptimo. Esta
tabla también se puede aplicar a los veleros para ajustar automáticamente sus
velas en sus ángulos óptimos.
TABLA 1 - DIRECCIÓN
DE LA VELA = 0º; ÁNGULO ÓPTIMO DE LA VELA EN FIG. 2, Y FACTORES DE LAS FUERZAS
f Y k
ÁNGULOS,
EN GRADOS
|
|||||
Viento,vv
|
Vela
|
Δ = α
|
b
= sen α
|
f
= sen β
|
k
|
0
|
90
|
-90
|
1
|
1
|
0,26
|
30
|
105
|
-75
|
0,966
|
0,933
|
0,59
|
60
|
120
|
-60
|
0,766
|
0,587
|
0,51
|
90
|
135
|
-45
|
0,574
|
0,329
|
0,28
|
120
|
150
|
-30
|
0,5
|
0,25
|
0,43
|
150
|
165
|
-15
|
0,259
|
0,067
|
0,26
|
180
|
180
|
0
|
0
|
0
|
0
|
TABLA 2 – POTENCIA
GENERADA POR LA VELA
1. Parámetros determinados
|
||
Densidad
del aire, d
|
1,225
|
kg/m³
|
Aceleración,
g
|
9,8
|
m/s²
|
Ley
de Betz, p
|
0,59
|
|
CV
|
75
|
kgm/s
|
Conversión
kgm/s, c
|
0,0098
|
kW
|
Conversión
CV
|
0,7355
|
kW
|
2.
Parámetros variables
|
||
Velocidad
del viento, vv
|
5
|
m/s
|
Velocidad
del viento, vv
|
13,9
|
km/h
|
Velocidad
viento máxima, vm
|
25
|
m/s
|
Velocidad
viento máxima, vm
|
69,4
|
km/h
|
Promedio
de viento diario, pv
|
0,25
|
día
|
Altura
de la vela, h
|
6
|
m
|
Ancho
de la vela, a
|
2,5
|
m
|
Cantidad
de velas, q
|
3
|
|
3. Cálculo del área, Á
|
15
|
m²
|
4. Cálculo de la potencia
|
||
P = 2 q
Á vv² p (1 -
p)² / 75
|
3,645
|
CV
|
5. Empuje axial del viento
|
||
T
= 2 Á d vm² p (1 - p) / g
|
566,95
|
kg
|
Deberán ser
suficientes estas dos ecuaciones para calcular la construcción y el
comportamiento del vehículo/embarcación que se desee fabricar. Además, para
calcular la potencia de la vela según su posición en relación al viento, aquella
deberá ser multiplicada por el factor b (sen α), y si se quiere calcular la
potencia del vehículo según la posición de la vela, deberá adicionalmente ser
multiplicada por el factor f (sen β).
4. Pautas para la
construcción del vehículo/embarcación a vela
Puede usarse cualquier
tipo de vela. En este diseño, la vela es rígida y funciona por ambas caras, y
como un ala de avión, para ser más aerodinámico su perfil puede ser cambiado
por la modificación de sus bordes de ataque y salida. Esta modificación le da a
la vela un mejor rendimiento aerodinámico, similar al ala de un avión o a una
vela de lona cuyo tejido es cortado y cosido de acuerdo a las formas
aerodinámicas. Un ala rígida se construye en base de largeros y costillas, y
como cubierta se usa planchas metálicas o plásticas (cincadas, aluminio, fibra
de vidrio) o cualquier otro material disponible que sea liviano y resistente al
aire marino. Una ventaja adicional es que la vela pivota en su centro vertical,
de manera que el esfuerzo es mínimo para cambiarla de posición. Por el
contrario, la botavara de una vela cangreja, latina o tarquina requiere gran
esfuerzo para sostenerla. Una vela cuadra no es utilizable por amabas caras. El
único requisito es que los bordes de la vela de este diseño cambien al pasar de
una banda a la otra.