Políticas de producción distribuida de energía eléctrica con pequeñas instalaciones generadoras

Introducción

Se dice que durante la Primera Guerra Mundial Georges Clemenceau afirmó que “la guerra era un asunto demasiado importante como para dejarlo en manos de los militares”, hoy en día podemos afirmar que el futuro de la energía es un tema demasiado vital como para dejarlo exclusivamente en manos del gran capital.

Como las energías solar y eólica están sobradamente conocidas y debatidas, aquí se trata de analizar la recuperación de las microcentrales hidráulicas y de la implantación de la microcogeneración, dos técnicas que no interesan a las grandes compañías, pero que pueden ser socialmente muy rentables.

Se trata por ello en este Blog de difundir y defender las ideas de la pequeña generación eléctrica distribuida, como alternativa al modelo centralizado de los grandes grupos generadores dominados por las grandes compañías energéticas, es una producción energética más cercana al ciudadano que en alguna manera rompe el monopolio que controla la producción eléctrica.

Es por ello de esperar que a los poderes fácticos representados por los grandes grupos de presión no les guste demasiado esta idea, que aunque presente un muy pequeño porcentaje de influencia en el conjunto general de la producción eléctrica, rompe los monopolios y crea una tendencia de autosuficiencia energética que de seguro encontrará una fuerte oposición por parte de los que dominan la producción eléctrica.

Con seguridad aducirán razones “técnicas” para no absorber en sus redes la producción autónoma, pero como han demostrado varios estudios de universidades, especialmente de EEUU, la moderna informática permite agrupar a todos los pequeños productores en centrales virtuales de cierta envergadura y gestionarlas debidamente.

Además tenemos recientemente el caso cubano y más reciente aun el nicaragüense, donde se ha demostrado la eficiencia y flexibilidad de la generación distribuida frente a la centralizada, aunque en estos casos los generadores distribuidos no fuesen tan pequeños si no de grupos diesel-eléctricos de unos cientos de KW, pero dotaron de una gran flexibilidad a la red eléctrica, ahorraron combustible, eliminaron los apagones y permitieron reestablecer el servicio después de los últimos y terribles huracanes en un tiempo record, muy inferior al necesario con el antiguo sistema de grandes termoeléctricas centralizadas.

Víctor Luis Álvarez

victorluisbmh@hotmail.com

1º Producción de energía eléctrica mediante microcentrales hidráulicas.

Una aportación pequeña, pero no desdeñable.

Para producción de energía eléctrica en pequeñas instalaciones accionadas por turbinas hidráulicas, se emplean habitualmente dos tipos diferentes de instalaciones.

Por una parte las minicentrales, que son las que podemos ubicar en el entorno de entre los 100 KW y los 5 MW.

Por otra las microcentrales que son las que generan hasta un máximo de 100 KW, pero estas, aunque presentan una tipología muy diferente de las anteriores, no tienen un tratamiento especifico, ni en la ley, ni en las estadísticas. (Algunos autores subdividen a su vez este sector y denominan picocentrales a las instalaciones generalmente destinadas a autoconsumo que suministran de entre 100 W y 3 KW, criterio que compartimos.

Normalmente las pequeñas centrales hidroeléctricas, especialmente las minicentrales, son promovidas por empresarios que buscan un negocio en el que prime la recuperación económica de la inversión realizada, sin negar a muchos de ellos las buenas intenciones ecológicas ya que estas instalaciones son las que menos contaminan y poseen una tasa de recuperación energética positiva y superior a la de otros sistemas subvencionados actualmente por las administraciones.

Por ello para la obtención de los mayores rendimientos generalmente las empresas promotoras buscan aprovechamientos hidráulicos de la máxima potencia posible, superando generalmente los 100 KW.

De las acciones de estos grupos empresariales, para algunos de los cuales, como ya hemos dicho, las minicentrales son simplemente un negocio como otro cualquiera, es de donde suelen salir las quejas de algunos ecologistas y pescadores que desgraciadamente en ocasiones pueden tener algún fundamento, aunque en muchos de los casos se magnifiquen en demasía, especialmente a través de ciertos medios en los que tienen influencia grupos de intereses turísticos ligados a la pesca fluvial y otros ligados a algunas de las grandes productoras eléctricas.

Esta filosofía tiende a cambiar profundamente cuando se trata de las microcentrales hidráulicas, donde el entusiasmo de muchos de sus promotores por este tipo de ingenios hidráulicos desborda el marco del simple negocio. Aunque, repito, tampoco es difícil encontrar este tipo de entusiastas en minicentrales de potencias mas elevadas.

Este pequeño trabajo desea ser un apoyo para esas gentes que gran ilusión intentan recuperar alguna de las antiguas pequeñas instalaciones que ya trabajaron en nuestro país, o intentan implantar otras de características similares.

En las estadísticas y previsiones oficiales cuando se trata del posible potencial minihidráulico a instalar en nuestro país se suelen referir exclusivamente a las minicentrales, ya que las microcentrales de 100 KW o menos, poseen un potencial que no suele ser contemplado a priori, aunque cuando entran en servicio su aporte pasa a engrosar las estadísticas de la producción eléctrica.

Las minicentrales, como ya se ha dicho, están siendo fuertemente cuestionadas por determinados grupos ecologistas y pescadores fluviales basándose en los ya citados abusos, que hemos de reconocer que se han producido en la instalación de algunas de ellas.

Aunque todas esas quejas en demasiadas ocasiones no son lo suficientemente razonables, especialmente cuando existe un cierto protagonismo mediático sobre el tema.

No obstante la problemática de las minihidráulicas es muy diferente de las microhidráulicas, ya que las microhidráulicas habitualmente parten de antiguos aprovechamientos hidráulicos como son los molinos harineros, mazos, batanes y otros antiguos ingenios hidráulicos que se pueden recuperar hoy en día para la producción de energía eléctrica.

Debido a esa mala fama generada por las minicentrales y a las presiones mantenidas por algunas de las grandes empresas eléctricas, casi todas las administraciones consideran que no es “políticamente correcto” apoyar y fomentar a ninguna de estas instalaciones, sin distinción entre ellas, por lo que las trabas burocráticas y administrativas son enormes, a lo que hay que añadir las dificultades que ponen las grandes empresas distribuidoras de energía eléctrica para las cuales tener que admitir en su red a estos pequeños productores solo supone problemas sin prácticamente ningún beneficio.

Por exagerado que nos parezca, la documentación que exigen para una pequeña instalación de 20 KW en un antiguo molino es bastante similar a la que se necesitaría para poner en un río caudaloso una represa que genere 5 MW.

Técnicamente es perfectamente posible recuperar los antiguos aprovechamientos microhidráulicos sin perjudicar a la fauna piscícola ni a su entorno natural, se trata de utilizar sistemas que ya han demostrado su eficaz funcionamiento a lo largo de los años, incluso de los siglos, sin crear problemas ecológicos.

El número de estos antiguos aprovechamientos es muy elevado en nuestro país y aunque no será posible la recuperación de todos ellos, es probable que varios miles de ellos estén aun en condiciones de rehabilitación, este es un estudio que las administraciones públicas deberían efectuar en colaboración con los promotores, grupos e instituciones interesados, que sin duda estarán encantados de poder realizarlo.

Como ejemplo podemos poner lo que esta ocurriendo en el Reino Unido, en el distrito de South Somerset, en donde se ha restaurado, y puesto en funcionamiento como central eléctrica, un molino con mas de 900 años de antigüedad situado en Gants, el ejemplo de esta instalación de 12 KW ha servido para que la administración del distrito promueva que otros diez propietarios tengan en marcha proyectos para generar energía eléctrica en los suyos, con potencias que van desde los 5 hasta los 50 KW.

Incluso en los edificios de alguna de ellas se han instalado pequeños hoteles rurales, que hacen del propio funcionamiento de las instalaciones de las microcentrales un reclamo más dentro de sus posibles atractivos turísticos.

Disposición de la microcentral de Gants Microcentral de Gants

Tomando como muestra a Asturias, por ser la zona mejor conocida por nosotros, se puede estimar que la media de potencia a extraer se puede cifrar en unos 5 a 15 KW por rodete, si extrapolamos esta cifra y estimamos que en España se pueden recuperar como mínimo unos 20000 molinos (rodetes o rodeznos y aceñas) de los más de 60000 que a finales del siglo XIX había instalados en toda España, nos da la muy estimable cantidad de 100 a 300 MW, con una capacidad energética estimada por nosotros equivalente a unos 400 a 1200 aerogeneradores eólicos de 1 MW, utilizando estimaciones muy a grueso modo.

Es posible que se puedan añadir otros 100 o 200 MW, de viejas hidroeléctricas abandonadas y del aprovechamiento de embalses y canales de riego. Otra posibilidad es por motivos económicos aprovechar la reversibilidad de las bombas hidráulicas de fabricación estándar usándolas como turbinas.

La tasa de recuperación energética de las turbinas hidráulicas es positiva como se ha demostrado por su uso histórico, y la construcción de pequeñas turbinas adaptadas a los saltos y caudal de nuestros ríos es una tecnología perfectamente asumible para muchas pequeñas empresas de nuestro país.

Turbina de flujo cruzado Ossberger Flujo del agua en una turbina Ossberger

Básicamente lo que se puede proponer para los casos de un cierto salto y pequeño o medio caudal son instalaciones muy sencillas con turbinas de flujo cruzado (Banki-Mitchell o Ossberger) o de flujo axial (hélice, Kaplan, o semi-Kaplan), incluso en algunos aprovechamientos se podrían usar las Pelton y Turgo, todas ellas con generador asíncrono, excepto en los casos de autoconsumo donde se suelen usar máquinas síncronas de imanes permanentes, o corriente continua en las muy pequeñas.

A partir de potencias de mas de 30 KW el generador asíncrono podría ser de velocidad variable usando motores asíncronos de rotor bobinado, también denominados de doble excitación, con el rotor conectado mediante un variador de frecuencia PWM reversible, trabajando en cuatro cuadrantes con regeneración a red, que permita el control electrónico de la frecuencia y potencia rotóricas. Controlando la frecuencia del rotor se complementa la frecuencia de la salida estatórica hasta alcanzar la frecuencia sincrónica, con la amplitud en el rotor se varía la excitación y se controla la relación entre las potencias activa y reactiva generadas. En el caso de velocidad hipersincrónica se produce una doble generación estatórica y rotórica.

Alternador asíncrono de rotor bobinado (doble excitación), esquema unifilar.

Estas instalaciones, muy adecuadas para las turbinas de flujo cruzado de acción, así como para las axiales y las de acción, funcionarían normalmente de forma “abandonada” (sin personal) aprovechando la actual tecnología automática y el potencial telemático de nuestro sistema existente de telecomunicaciones.

El sistema arriba propuesto es técnicamente muy flexible y permitiría extraer hasta el último KW posible del aprovechamiento hidráulico a diferencia de las instalaciones clásicas, como por ejemplo las que tienen instaladas turbinas Francis con generador síncrono, que poseen el punto optimo de trabajo en un entorno de unas condiciones muy estrictas, por lo cual durante los periodos de estiaje y semi-estiaje, o se detienen, o apenas generan energía.

El diseño de estas maquinas debe de establecerse para que su construcción sea posible de forma modular y estándar para abaratar sus costes, sería un trabajo sumamente interesante y provechoso, que contase con la debida aportación de ayudas públicas a los investigadores en tecnología aplicada de la universidad para que se ocupasen del mismo. A partir de estos trabajos universitarios de investigación aplicada, muchas pymes podrían aportar sus conocimientos y desarrollar una tecnología de fabricación,

y no olvidemos que se trata de un producto cuya aceptación en el mercado mundial está en aumento debido a las crecientes necesidades energéticas del planeta.

Este tipo de propuestas ya se está realizando en otros países, como por ejemplo ocurre en Canadá, donde la administración de la Columbia Británica ha elaborado un libro blanco con el fin de promover y coordinar las microcentrales siguiendo líneas muy similares a las ya expuestas en este documento.

Dentro de los recursos hidráulicos, además de los más habituales ya tratados, existen los situados normalmente en ríos caudalosos con poco desnivel, se trata de un tipo de aprovechamiento de gran caudal y poco salto como eran las antiguas aceñas, con ruedas hidráulicas del tipo Sagebien, Poncelet y similares, que suelen tener un gran diámetro de entre 4 y 8 metros. Son un tipo de instalaciones que se pueden recuperar modificándolas para dotarlas de ruedas fabricadas con nuevos materiales y de moderno diseño hidráulico y mecánico. El interés actual por estas máquinas se observa en el siguiente estudio de la Universidad de Hylow, expuesto en:

http://www.hylow.eu/hylow-start/project-description

Water wheels (water wheel) are efficient converters, but are limited in their power output. In addition, their costs also increase with reducing head difference so that currently hydropower sites with less than 2 m head difference are considered economically marginal. 

 With the development of turbines in the 19th century serious hydropower exploitation started.

Thousands of weirs were built into our rivers in order to reduce the gradient (to prevent erosion), to extract water either for irrigation or for water wheels and for navigation. It is estimated that the power available accounts for more than 500 MW in Germany, and 500 – 1000 MW in England; other countries probably have similar power available. Today, the hydropower at all these places is unused since there is no cost-effective and ecologically acceptable energy converter. Standard technologies such as Kaplan Turbines require very large diameters and extensive in- and outflow structures, so that their costs rise with reducing head difference where high flow volumes must be processed. Also, the effect of the turbine on fish passing through is considered negative due to propeller strike and very low pressures in the suction tube.

Estas nuevas ruedas hidráulicas a simple vista no difieren de las ruedas tradicionales que ya había instaladas en dichas aceñas, por lo que no se rompería la estética típica de estos ingenios, en la rehabilitación de estas instalaciones se pueden obtener rendimientos hidráulicos muy interesantes del orden de mas del 80 % en los diseños tipo Poncelet y Sagebien, e incluso del 90 % para modelos de cierta potencia. Y solo presentan un problema, sus bajas revoluciones por minuto obligan a la instalación de multiplicadores, o en su defecto de alternadores de un elevado número de polos.

La reconstrucción de estas viejas ruedas hidráulicas no altera en absoluto el medio ambiente según está comprobado en las múltiples instalaciones de este tipo ya rehabilitadas en el centro y norte de Europa,

Breast wheel Poncelet wheel

donde además de recuperar las antiguas se están instalando otras de nueva implantación. La instalación de este tipo de ruedas hidráulicas se observa especialmente en distritos rurales de zonas turísticas del Reino Unido, Francia, Alemania y otros países, sin rechazo alguno, ni de grupos ecologistas, ni del resto de la población, estas ruedas no perjudican al paisaje si no todo lo contrarío, si se cuida un poco la estética de sus casas de máquinas se puede componer una estampa tradicional de las que eran habituales en otros tiempos, generando incluso ciertas posibilidades de atracción turística, como se está demostrado.

Aceña recuperada para producción eléctrica en Centro-Europa.

Además las microcentrales en general suponen una producción local, descentralizada, mucho más próxima a los intereses de la mayoría de la población que a los intereses de las grandes corporaciones que siempre trataron de centralizar la producción energética en grandes grupos, cerrando las pequeñas instalaciones hidráulicas que históricamente habían alimentado a muchas comunidades rurales. Con el interés añadido, aunque reconociendo su escasa influencia, de que potenciarían un cierto desarrollo rural, con algunos puestos de trabajo aunque fuesen de forma parcial o discontinua (limpiezas y otras labores de vigilancia y conservación) y daría asimismo ingresos en cánones e impuestos a los ayuntamientos rurales.

En cuestiones de energía es muy peligroso abandonarse a “la mano oculta del mercado”, las administraciones deben de intervenir de forma activa y positiva para optimizar un bien tan escaso. Por ello su labor debe de ser de promoción de este tipo de iniciativas a través de una agencia que coordine y fomente la investigación y los diseños, así como facilite determinados medios a las pymes para la construcción de los equipos y colabore con los promotores en la tramitación de toda la documentación, tanto la necesaria para la correspondiente confederación hidrográfica, como la requerida en los departamentos de industria y energía a nivel autonómico o estatal, según estén o no transferidas las correspondientes competencias.

Este organismo podría ser perfectamente una sección del IDAE dedicada a este tema, contando asimismo con la necesaria dotación presupuestaria para la subvención de los proyectos de investigación aplicada que realizasen los departamentos universitarios de ingeniería eléctrica, energía y mecánica de fluidos entre otros.

La tarea de potenciar las microcentrales debe de ser tratada de forma conjunta, por todos los que pueden y deben ser protagonistas de su implantación, como son las administraciones públicas, investigadores universitarios en el campo de la tecnología aplicada, diseñadores y fabricantes de microturbinas, ingenierías eléctricas, hidrotécnicas y de obra civil. Usando una necesaria coordinación que estimule las sinergias necesarias para su desarrollo. Las microcentrales hidráulicas no resolverán de modo alguno el problema energético, pero significarán una ayuda, que aunque pequeña, no es despreciable.

La administración tiene ya teóricamente previstas ayudas para las energías renovables, pero las microcentrales no están específicamente previstas en la ley como tales, entran en el mismo tipo de ayudas y tarifas que las minicentrales y los generadores eólicos, de todas formas lo que se necesita en este momento para arrancarlas, mas que ayuda económica a través de las tarifas, es ayuda en los tramites administrativos que contemple la peculiaridad de estas instalaciones de 100 KW o menos, cuya conexión se hace en baja tensión siempre que exista y lo permita la correspondiente red.

Por todo ello consideramos que ante las actuales perspectivas de escasez energética, las microcentrales son un aporte a considerar, y las administraciones deben de cambiar su actitud, cambiando la situación actual consistente en obstaculizarlas, por la inversa de promocionarlas e incentivarlas activamente.

2º Microcogeneración, la generación domestica de energía eléctrica.

Una central de generación eléctrica en las cocinas.

La microcogeneración o microCHP (siglas en inglés de micro Combined Heat and Power). Es un sistema que proporciona simultáneamente agua caliente, calefacción y electricidad con un rendimiento global que puede llegar al 92 % e incluso algo más. La energía eléctrica generada es entre el 22 y el 35 % del total de la energía térmica primaria aportada. Los diferentes rendimientos son función del diseño de cada equipo, según se prime el rendimiento global o el rendimiento eléctrico, en los casos de máximo rendimiento eléctrico el rendimiento global puede descender hasta un 65-70%.

Además con la ventaja incluida de que al tratarse de motores Stirling de combustión externa pueden admitir todo tipo de combustibles: gas natural, propano, gasóleo, biodiesel, carbón, serrín, trozos de madera, excedentes de biomasa en general, etc. Y si contemplamos muchos de nuestros montes en donde está sin limpiar el monte bajo, comprobaremos que de momento no escasean los excedentes de biomasa.

La generación se realiza con alternadores asíncronos que por su robustez, simplicidad, y escasos requerimientos en cuanto a su regulación, los hacen ideales para este tipo de aplicaciones.

Hasta ahora, cuando se hablaba de la cogeneración existente se pensaba en plantas industriales y en potencias del orden de Megavatios o por lo menos en varios cientos de Kilovatios, producidos generalmente con alternadores accionados por grandes motores de combustión interna, de cuyos gases de escape se aprovecha el calor para determinados usos industriales.

La microgeneración no es eso, se trata por su tamaño y aspecto de un electrodoméstico más como los ya habituales en nuestras casas, y que reemplaza al calentador o a la caldera ya existentes.

MicroCHP de 3 Kwe producido por MicroCHP de WhisperGen (N.Z.) MiniCHP para medianos usuarios. Sigma Elektroteknisk AS, Noruega

La microCHP está emergiendo con un fuerte ímpetu en todos los países industrializados, expertos independientes han estimado que en EEUU con la microCHP se puede ahorrar hasta un 40% de la energía eléctrica no dedicada a la industria o al transporte, y eso es mucho.

Esquema de un microCHP de MicroGen MicroCHP integrado en una cocina

La microcogeneración puede suponer, por ejemplo, en una vivienda unifamiliar, que con prácticamente el mismo gasto que tienen hoy en día en agua caliente y calefacción, se puedan generar además una buena cantidad de KW-Hora de energía eléctrica.

Y todo esto con un equipo de aspecto y tamaño similar a los electrodomésticos que son normales en nuestras casas, sin problema de ruidos, ya que el generador esta accionado por un motor Stirling sumamente silencioso.

Esta producción descentralizada elimina las perdidas del transporte de la energía eléctrica ya que se consume en el mismo entorno local que se genera. Y es también muy recomendable a mayor escala (minicogeneración o miniCHP) para clínicas, grandes residencias, grandes superficies comerciales, edificios administrativos, piscinas climatizadas y otros grandes usuarios que requieran gran cantidad de agua caliente y calefacción.

Este sistema da lugar a unas nuevas redes eléctricas de BT (baja tensión) que reciben aportaciones de energía distribuidas, en contraposición de las redes actuales centralizadas con alimentación única desde los grandes centros de distribución eléctrica. El conjunto de las aportaciones descentralizadas a la red a efectos de cálculo y tratamiento de la misma, se puede configurar como si se tratase de una única central virtual centralizada.

Y no olvidemos hablando de rendimientos, que de una gran central termoeléctrica tradicional solo llega a los consumidores una cantidad de energía eléctrica equivalente en muchos casos a menos de la cuarta parte de la energía térmica primaria suministrada a los quemadores de dicha gran central termoeléctrica.

Esquema eléctrico unifilar del microCHP fabricado por Solo gmbh (Alemania)

En España la microcogeneración y su hermana mayor, la minicogeneración, son prácticamente desconocidas, aunque ya existan desde hace mucho tiempo soluciones de ese tipo en Europa, como las de dotar a los polígonos industriales, parques empresariales y estructuras semejantes de una fuente térmica centralizada, en forma de una menor o mayor central térmica que proporciona agua caliente y calefacción al conjunto de los usuarios, mientras genera electricidad como producción adicional.

Este sistema está incluso adoptado por algunas ciudades de clima frío del norte de Europa. Aunque de momento posiblemente en nuestro país no estemos aun en condiciones de alcanzar ese nivel, pero si debemos buscar las sinergias que nos proporcionen el mayor ahorro energético posible.

Diferentes modelos de equipos de microcogeneración con tecnología Stirling ya se están fabricando en Alemania, Reino Unido, EEUU, Japón, Corea, Holanda, Noruega, Nueva Zelanda etc.

Incluso en este último país la firma WhisperGen fabrica un modelo muy pequeño que podríamos denominar como picoCHP que genera 800 vatios de corriente continua a 12/24 V., y está destinado a usos móviles como en náutica, caravanas y casas móviles, o mobil-home, según se deseen denominar.

PicoCHP WhisperGen de 800 vatios de corriente continua para usos móviles

En España lo únicos que se muestran activos por ahora en este campo son algunos científicos y técnicos que trabajan investigando el motor Stirling dentro de la Universidad.

Concretamente dentro del Campus de Viesques-Gijón existen interesantes ejemplos de ello, aunque posiblemente no cuenten con todo el apoyo de las instituciones que necesitan y merecen.

Sería muy importante que en nuestro país se potenciase y aprovechase este trabajo de I+D de los investigadores universitarios, y las administraciones públicas promoviesen las sinergias necesarias para sumar a los empresarios con estos investigadores, e incluso contemplando las posibilidades de asociación o colaboración con alguno de los fabricantes de estos equipos ya existentes en el extranjero.

Desde un punto de vista social, también tiene importancia la microcogeneración, ya que rompe los monopolios de la generación eléctrica, muchos de los hasta ahora dóciles consumidores pasarían a detentar una pequeña parcela de poder energético, por ello es de suponer que los oligopolios formados por las grandes empresas generadoras y distribuidoras de energía eléctrica, que hasta disfrutan de un mercado cautivo, pongan todas las trabas posibles para la conexión de estos equipos a la red eléctrica de BT (baja tensión).

La implantación de estas redes de generación distribuida, asusta a los accionistas y ejecutivos de las grandes compañías eléctricas por el quebranto económico y complicaciones administrativas que les puede suponer, es lógico que la actividad económica de un mercado energético tan agitado por opas, absorciones y fusiones acusaría negativamente una política estatal favorable a estos sistemas, por lo que el gran capital seguramente ejercerá toda la influencia posible para que surja una legislación restrictiva para el acoplamiento de estos grupos a la red eléctrica.

Ello demostraría una vez más que dejar exclusivamente a los empresarios y a “la mano oculta del mercado” el control de la innovación, especialmente en política energética, no es todo lo beneficioso que predican los liberales a ultranza.

En las condiciones ya comentadas de España con oligopolios energéticos actuando dentro de mercados cautivos, lo que prima es exclusivamente ganar dinero, y cuanto más rápido mejor, y de seguro que no estarán dispuestos a renunciar a parte de sus beneficios en aras de una estructura energética que nos sea socialmente más beneficiosa cuando llegue la próxima y certera crisis energética.

Pero, por ello, la sociedad civil no debe amedrentarse y todos debemos colaborar a implementar aquellas innovaciones como la microcogeneración que nos ayuden a paliar las penurias energéticas que nos aguardan dentro de muy pocos años.

Como modesta aportación a continuación se expone el diseño de un alternador lineal aplicable a un motor Stirling de pistón libre.

Descripción de un alternador lineal de 1.5 Kw proyectado para aplicar a un motor Stirling de pistón libre con movimiento rectilíneo:

Datos de inicio para el diseño:

S= 1500 Vatios, E= 240 Voltios (V= 235 Voltios), I= 6.5 Amp. (Se adopta una baja densidad de

corriente para evitar problemas de refrigeración).

Para una frecuencia de 50 Hz:

Con 1500 pulsaciones/minuto del motor Stirling el desplazamiento será empleando un conjunto de 7 imanes, que supone una carrera de 24 mm

Con 1000 pulsaciones/minuto del motor Stirling el desplazamiento será empleando un conjunto de 8 imanes, que supone una carrera de 36 mm

Con 750 pulsaciones/minuto del motor Stirling el desplazamiento será empleando un conjunto de 9 imanes que supone una carrera de 48 mm.

1º Descripción de funcionamiento:

El flujo magnético fluye de un norte a un sur a través de un doble circuito magnético paralelo en el que se colocan las bobinas excitadas.

Al desplazarse linealmente en vaivén un excitador compuesto de imanes permanentes y de discos polares, estos últimos van encarando los polos, conmutando el flujo e inviertiéndolo: N-S, S-N, y así sucesivamente.

Esquema simplificado de la excitación magnética y circuito de generación eléctrica.

2º Circuito Magnético:

El circuito magnético estatórico está constituido por palastro compuesto por chapas apiladas de acero para usos magnéticos, este conjunto esta recortado para formar unos polos de 6 mm de ancho con un entrante en semicírculo.

Vista frontal del circuito magnético Vista lateral del circuito magnético.

Vista 3D del circuito magnético.

Este recorte se efectuará en ambas caras de forma alterna, con una separación longitudinal entre ellos de un paso polar de 12 mm, (6 mm del disco y 6 mm del imán) de forma que cuando un disco polar “Norte” encare un polo, el disco polar “Sur” encare el otro polo de la pared opuesta.

Estos polos semicirculares completan el hueco circular por el que se desplaza el excitador magnético.

3º Excitación magnética:

Está constituida por un excitador que se desplaza axialmente entre los polos recortados en el palastro.

Este excitador está construido con discos de acero e imanes permanentes colocados de forma alternativa. Los discos realizan la misión de polos magnéticos.

A través de estos polos el circuito estatórico recibe el flujo magnético de un conjunto de 7 a 9 imanes (7 para 1500 p/min., 8 para 1000 p/min., 9 para 750 p/min.) de Neodimio de forma anular (D=34 mm, d=12 mm, h=6 mm) con una inducción remanente de B= 1.32 Teslas.

De estos simultáneamente siempre trabajan cinco de ellos por lo que:

Superficie de 1 imán =0.0007948 M2;

5 imanes 5*0.0007948=0.00397 M2

Y si estimamos una reducción de B=1.32 Teslas a B = 0.42 Teslas debida a la presencia de un entrehierro de 0.8 mm (0.4x2) nos proporcionan un flujo total de unos 0.00164 Weber.

Los imanes en forma de anillo, de grado 35, van insertados en un eje de acero inox. amagnético de 12 mm de diámetro.

Imán Neodimio; Orientación: Axial, Grado: 35, Medidas: 34x12x6

Entre imán e imán y en ambos extremos irá colocada el disco de acero dulce que cumplirá la misión de zapata polar. Esta pieza será de 50 mm de diámetro y 6 mm de espesor.

Dada la alta tendencia a la corrosión del Neodimio, conviene sellar los imanes, rellenando con Epoxy u otro producto similar el hueco resultante por la diferencia de dimensiones entre las piezas polares del excitador y los anillos del imán de Neodimio.

Vista lateral del excitador de imanes permanentes. (750 p/min.)

4º Circuito de generación eléctrica:

Está constituido por dos bobinas de 330 espiras cada una, conectadas en serie, el número sale de:

Como: E=4.44 * flujo * f * N

240=4.44*0.00164*50*N;

N=240/0.364=660 espiras, como son 2 bobinas

660/2=330 espiras/bobina

(Aunque para cálculos vamos a incrementarlas hasta unas 340 espiras por la estimación de un factor de forma desconocido de la bobina.)

El hilo del bobinado será de cobre esmaltado de 2.5 mm2 de sección.

(Que corresponde a un diámetro de 1.78 mm).

Aunque esta sección permite más de 6.5 Amp., mientras no se puedan efectuar los correspondientes ensayos de calentamiento se adopta por precaución esta medida como conservadora.

Cada bobina será de 120x70x50 mm, con un hueco interior de 75x15 mm.

Vista lateral del alternador lineal (versión 750 p/m)

Vista frontal del alternador lineal.

5º Dimensiones y montaje:

Las dimensiones totales del conjunto del circuito magnético son:

Alto: 180 mm.

Ancho: 150 mm.

Largo (1): 114 mm para 1500 p/min. (incluida carrera)

Largo (2): 138 mm para 1000 p/min. (incluida carrera)

Largo (3): 162 mm para 750 p/min. (incluida carrera)

El conjunto para 750 p/ min. puede ir montado en una caja o carcasa de aluminio circular de aproximadamente 185 mm de diámetro interior y 165 mm de longitud (medidas internas), y unos 30 mm de pared.

Se podría dotar de aletas externas de refrigeración si se comprobase su necesidad, aunque con las pérdidas evaluadas teóricamente de momento no parece necesario.

En los escudos o tapas de la caja se alojarán los 2 cojinetes-guía del eje, que se realizaran en bronce del usado habitualmente en cojinetes.

La caja puede rellenarse de aceite de transformador tipo Repsol Tensión o similar, en cuyo caso habría que implementar retenes en los cojinetes-guía.

6º Perdidas por efecto Joule e histéresis.

Longitud de la espira media 302 mm.

Longitud total del hilo = 2 x 340 x 0.302 = 205.36 mts.

R= 1/56 * L/s = 205.36/(56*2.5)= 1.466 ohmios.

Pcu= 1.466* 6.5^2= 61.97 vatios, considerando conexiones etc. podemos aceptar aproximadamente 70 vatios disipados en calor por efecto joule.

Si consideramos otro tanto para las pérdidas en el hierro: Pt= Pcu + Pfe= 140 vatios.

El rendimiento eléctrico teórico sería en ese caso:(1500-140)/1500 = 90.6 %.