Este artículo es un resumen del Trabajo Final de Máster (TFM) del Máster de Fachadas Ligeras de la Universidad del País Vasco UPV-EHU, desarrollado en el curso 2019-2020, del cual Francesc Arbós Bellapart fue tutor

En la actualidad el sector de la construcción está cada día más concienciado del enorme impacto que su actividad genera en el planeta y se encuentra ante el desafío de disminuirlo. Aunque se han desarrolado diferentes estrategias pasivas y activas para lograrlo, la mayoría están orientadas a reducir el consumo y es necesario incorporar sistemas de generación de energía dentro de la edificación.

La mayoría de estas tácticas se enfocan en reducir el consumo y resultan insuficientes por sí mismas. Solo así se podrá alcanzar la autosuficiencia y migrar a un modelo de energía distribuida. La inclusión de estos mecanismos en una edificación es una práctica poco extendida. Podemos encontrar algunos ejemplos en su mayoría con placas solares. El éxito de la utilización de la captación solar se debe en gran medida a que sus necesidades técnicas pueden ser solventadas en la envolvente arquitectónica siendo relativamente fácil su integración, sobre todo debido al amplio desarrollo tecnológico. El proyecto de la fachada interior del Nº 17 del Paseo de Gracia de Barcelona, desarrollado y ejecutado por Tecalum Sistemes (Ilustración 1. Tecalum Sistemes. Fachada fotovoltaica). es un buen ejemplo de la integración en fachada de paneles solares, mediante una doble piel translucida.

Ilustración 1 - Tecalum Sistemes. Fachada Fotovoltaica.

Las fachadas pueden ser más que elementos de barrera contra los agentes externos, pueden transformarse en generadores de energía y es importante resaltar que la fuente solar no es la única de las posibilidades. En el sector de las fachadas, analizamos las acciones del viento en una edificación para evitar sus consecuencias y garantizar el correcto funcionamiento de cada uno de los elementos, pero ¿por qué no usar el potencial de esta fuerza como fuente renovable si su uso ha sido probado con éxito en otros sectores? Basado en esta reflexión el objetivo de esta investigación fue desarrollar un sistema de fachada capaz de transformar la energía eólica en electricidad dentro de una fachada.

Sin contar los grandes aerogeneradores que todos conocemos existen varios diseños de micro generadores experimentales con un enfoque aplicable a la arquitectura. Entre ellos destacan los generadores de energía eólica sin aspas de Vortexbladeless y el dispositivo Vibrowind. El denominador común entre ellos es el fenómeno de las vibraciones inducidas por vórtices (VIV). Este fenómeno propio de la aeroeslasticidad se produce cuando los vórtices que se generan en la estela de un objeto al pasar una corriente de un fluido tienen la misma frecuencia que la frecuencia natural de vibración del objeto, esto genera presiones contrarias en este, que induciendo un movimiento oscilatorio (Ilustración 2: Von Kárman Street). A lo largo de la historia se ha generado mucho interés por estudiar este evento, aunque dada su complejidad y las características de sus efectos el objetivo en la mayoría de los casos ha sido aprender a evitarlo. Las vibraciones pueden tener unos efectos devastadores en cualquier edificación, pero para un generador eólico de bajo impacto se convierte en la herramienta esencial para generar el movimiento que posteriormente se transformará en energía.

Los movimientos oscilatorios inducidos por vórtices dependen de tres valores adimensionales: el Reynolds Number (Re): que determina la tipología de los vórtices desprendidos según una relación entre la viscosidad del fluido, la velocidad y la morfología del objeto; el Strouhal Number (St): que determina la frecuencia y velocidad en la que se produce el fenómeno y que depende de la forma del elemento que se interpone en el camino del fluido, su frecuencia natural y la velocidad del fluido; y el Scruton number (Sc): que determina la forma de amortiguamiento de las vibraciones de la estructura y que relaciona el amortiguamiento estructural de un sistema por su morfología (masa y forma) con la densidad del fluido.

Conocido el valor de St según la forma del elemento estudiado y sabiendo que el fenómeno de las vibraciones inducidas por vórtices se produce cuando la frecuencia natural es igual a la frecuencia de los vórtices, podemos calcular la velocidad crítica a la que en un objeto/estructura se producen los movimientos oscilatorios. Este concepto dio pie para enfrentar el diseño del sistema creando tres estrategias la de la frecuencia, la de la morfología y la de la transformación. Todas con la intención facilitar la adaptabilidad a diferentes entornos, inclusive a diferentes variables dentro de una fachada.

Para que la generación de energía eólica se produzca es necesario facilitar el fenómeno de las vibraciones inducidas por los vórtices y para ello es fundamental que la frecuencia natural del objeto se asemejarse a la frecuencia de excitación del fluido, en este caso el aire. Basado en esta premisa y según los números estudios consultados en la bibliografía, el diseño del mecanismo se basa en un oscilador harmónico simple con dos apoyos elásticos compuesto por 2 o 4 muelles. De esta manera la frecuencia de vibración, que viene dada por una relación entre la constante de los muelles y la masa del objeto puede ser adaptada según la necesidad del proyecto bien sea modificando los muelles y por tanto manteniendo la morfología y masa, o variando la masa sin variar la morfología. Todo ello nos garantiza la máxima adaptabilidad.

La forma y en especial la relación de aspecto es uno de los elementos fundamentales que determina las características del fenómeno de los vórtices, en especial en el caso de los cilindros rectangulares. Cuando la relación de aspecto de la sección es mayor que 2 a 3 pero menor que 4 a 7 nos encontramos en el Regimen 2: Impinging leading-edge (Nauducher and Wang, 1993) (Ilustración 3. Regímenes según la proporción del objeto) donde ocurren las mayores oscilaciones. Este rango de proporción es el que definimos como necesario para el desarrollo de los componentes móviles del sistema.

Ilustración 3. Regímenes según la proporción del objeto.

En general, todos los mecanismos de generación eléctrica basados en la fuerza del viento transforman la energía en dos pasos. La fuerza del viento es transformada en un movimiento y este en electricidad mediante la inducción magnética o la piezoelectricidad. Buscando la mayor adaptabilidad del sistema propuesto nuestra decisión ha sido la de aplicar un inductor electromagnético. Existe un amplio desarrollo científico e industrial que hace disponer de múltiples soluciones estándar aplicables a nuestro proyecto. El sistema usara imanes de neodimio que con una dimensión menor poseen una mayor potencia. El movimiento creado podrá ser transformado en un movimiento rotacional mediante un mecanismo de biela y manivela o directamente en un movimiento transversal con un sistema similar a un pistón.

Para comprobar el potencial de un sistemas de generación eólica he adaptado el diseño del proyecto de la Biblioteca Municipal del barrio de Almeda en Cornellá de Llobregat, diseñado por el arquitecto Carlos Llinás para la AMB (Ilustración 4. Biblioteca Municipal Almeda. Carlos Llinás) aplicando las estrategias definidas anteriormente. Esta edificación, objeto de estudio de esta investigación, incorpora en su envolvente elementos pasivos para disminuir el consumo energético mitigando la incidencia solar. En las orientaciones oeste, este y sur, adicionalmente a la selección de un vidrio una capa de protección solar y de retranquear el cerramiento en relación con la línea de la fachada exterior, se ha proyectado una celosía de lamas de aluminio verticales que tiene un potencial importante para aplicar un sistema de micro generación eólica basado en el fenómeno de las vibraciones inducidas por vórtices.

Ilustración 4. Biblioteca Municipal Almeda - Carlos Llinás.

Esta obra se encuentra ubicada en el municipio de Cornellá de Llobregat, dentro de la provincia de Barcelona. Asentada en una parcela aislada, en general la velocidad de viento promedio es entre 12,5 Km/h. y de 10,9 Km/h según el estudio estadístico de viento. Partiendo de estas premisas y luego de realizar una evaluación de la lama originalmente prescrita mediante el procedimiento establecido en el EUROCODE 1 Annex E (CEN, 2005). para determinar las reacciones por el movimiento inducido por el desprendimiento de vórtices; he rediseñado las celosías para crear un sistema de lamas con capacidad de generación eólica que mantiene la función de protección solar.

El concepto de la propuesta de diseño se basa en la celosía de lamas verticales donde cada elemento en un oscilador armónico con dos apoyos elásticos. El conjunto de las lamas se encuentra colgadas entre dos perfiles horizontales de aluminio de extrusión cuya función es de carril de rodadura, con una fricción tan pequeña que pueda ser despreciable. El mecanismo permitirá el movimiento transversal en cada lama con una amplitud determinada por un sistema de muelles y presores y que se transforma en energía eléctrica por medio de un inductor electromagnético. (Ilustración 5. Vista general del sistema).

• Lama

La lama propuesta es un perfil de extrusión de aluminio de aleación AA6063 T5 con una dimensión 30x120mm con dos portatornillos en las esquinas de extremos opuestos. Se ha incorporado en el diseño una compartición interior de tres cavidades capaces de recibir refuerzos tubulares o macizos de 8x25mm en cavidad central o de 40x25mm en las cavidades de los extremos. Estos refuerzos permiten alterar la masa del elemento y con que ello manejar la frecuencia natural del oscilador sin modificar las dimensiones exteriores del perfil. La misma lama entonces puede estar adaptado a múltiples escenarios con lo que aumenta el potencial del sistema para adaptarse a diferentes velocidades de viento. (Ver Ilustración 6: Detalle de la lama).

• Soporte de lama y rodamiento

Para el soporte de las lamas desarrollamos una tapa a base de un perfil de aluminio de extrusión mecanizado con dos taladros avellanados en su base y dos taladros pasantes de M6 en la pletina para la unión con el rodamiento. (Ver Ilustración 7: Soporte de lama.)

• Rodamiento

El rodamiento está compuesto por dos placas de acero galvanizado cortadas al agua con separadores plásticos, con cuatro mecanizados para M6 y dos taladros de 3mm de diámetro para la sujeción de los muelles de tracción. Utilizaremos 4 ruedas de cojinetes de agujas, aunque pueden ser sustituido por ruedas de acero zincado según necesidades del proyecto. (Ver Ilustración 8: Vista de rodamientos).

• Perfil perimetral

El sistema se desliza sobre una guía horizontal inferior y superior fabricada a partir de un perfil de extrusión de aleación AA6063 T5 con dos cavidades, una para el rodamiento y la otra para los componentes eléctricos. También se incluyo una tapa lateral clipada que permite el registro de estos elementos. Ver Ilustración 9: Detalle canal de rodadura.

Al perfil se le realizan dos conjuntos de mecanizados. El primero se realiza en la cara exterior para permitir el desagüe del canal de rodamiento. El segundo es un coliso para albergar la transmisión del movimiento, bien sea rotacional o transversal.

• Presor y muelles

El mecanismo de oscilación del generador está compuesto por 2 muelles de tracción contrapuestos y 1 presor compartido por dos lamas. Este último fabricado a partir de dos perfiles de aluminio mecanizados tiene una función doble: Fijación del sistema a la estructura de soporte y fijación de los muelles Ver Ilustración 10: Detalle de mecanismo de oscilación.

Ilustración 10. Detalle de mecanismo de oscilación.

Los muelles son la parte fundamental de nuestro sistema, porque son ellos los que nos permitirán en función de su constante adaptar la frecuencia natural del oscilador armónico y permitir el movimiento. Los muelles elegidos son del tipo tracción y están fijados a la placa de anclaje del rodamiento para una vez ubicada la lama en su posición final sean fijados al presor y colocados en su posición de equilibrio. Este diseño, en concordancia con la primera estrategia permite con un simple cambio de resortes y/o posición del presor modificar el comportamiento de todo el sistema. El diseño facilita las sustituciones en caso de rotura o los ajustes del sistema una vez instalado según las mediciones de generación para optimizar los resultados. (Ver Ilustración 11: Detalles del movimiento oscilatorio).

Ilustración 11. Detalles del Movimiento oscilatorio del sistema.

• Sistema de transformación

El sistema transforma el movimiento del oscilador armónico en energía eléctrica mediante la inducción magnética, para ello disponemos de un pistón fijado a la placa de rodamiento que contiene un imán de neodimio de dimensiones comerciales y que atraviesa el campo magnético de una bobina de cable esmaltado de cobre sobre soporte plástico y con núcleo de aire. Cada lama dispone de dos solenoides para aprovechar al máximo el movimiento y por ende generar mayor electricidad. (Ver Ilustración 12: Detalles del movimiento oscilatorio).

Ilustración 12. Detalle de mecanismo de transformación.

Para los cálculos del sistema no hemos basado en la bibliografía consultada (Garret, 2003) (Terrés Nicoli, 2008) (Vasallo Belver, 2009) y hemos optado por un método diseñado especialmente para predecir los fenómenos de las vibraciones inducidas en cilindros rectangulares y para el cual los tres valores adimensionales que definen este fenómeno tienen métodos de cálculos adaptados.

En los cilindros rectangulares la resonancia se produce a más de una velocidad del viento y por ello existen varios números de Strouhal (St) que determinan la tipología de los vórtices desprendidos a cada velocidad. Este concepto ha sido definido como el Strouhal modificado (〖St〗_m) (Nakamura & Tsuruta, 1991) (Matsumoto, 1999). En el caso del prisma de nuestro sistema cuya relación de aspecto es de 4, los valores que se obtienen son: 〖St〗_1=0,15, 〖St〗_2=0,30 y 〖St〗_3=0,90. Conocido los valores de Strouhal es posible determinar las velocidades críticas a las cuales se produce la resonancia, en este caso 3 diferentes. Estas velocidades las determinamos conociendo las frecuencias de vibración natural de nuestra estructura que al tratarse de un oscilador armónico depende de la relación entre la masa y la constante de los muelles.

El muelle seleccionado en el diseño propuesto es un muelle de tracción de alambre de piano con una constante de 0,16 N/mm, el sistema incluye 4 por cada lama. Los muelles permiten modificar directamente la frecuencia del sistema y por tanto la velocidad crítica de funcionamiento. La frecuencia natural varia si variamos la constante de los muelles (ver Tabla 1.)

Tabla 1. Frecuencias de vibración según constante de muelles.

Conocidos los tres valores adimensionales que gobiernan al fenómeno de los vórtices y sus efectos, determinamos la Magnitud de fuerza transversal, así como el desplazamiento máximo. En nuestro caso la amplitud máxima del sistema es 238,30 mm y la fuerza lateral de 1.183 N/m. Estos valores los usamos para aplicar las leyes de Faraday-Lenhz y la de Ohm para calcular el voltaje que produce el generador de inducción con cada movimiento, así como la intensidad y potencia. Entendiendo el origen turbulento del viento y que el fenómeno de la resonancia no se producirá durante la mayor parte del día, he establecido una probabilidad de ocurrencia entre el 15% y el 1% para estimar la potencia generada por metros cuadrado de celosía y que podemos ver en la tabla 2.

Tabla 2. Generación de voltajes.

Esta investigación partía con el objetivo general de desarrollar un sistema de generación eólica integrado en la fachada y a partir del análisis de algunos micro generadores descubrimos que el fenómeno de las vibraciones inducidas por vórtices es el elemento clave para cualquier sistema factible basado en la energía eólica de bajo impacto. El diseño propuesto para el proyecto de la biblioteca de Almeda nos permitió comprobar que es posible generar energía eléctrica mediante un oscilador armónico y dado los resultados potenciales descubiertos podemos llegar a las siguientes conclusiones:

La generación de energía eólica en la fachada es posible y es un campo de investigación con un amplio recorrido. Esta línea de desarrollo junto con los generadores fotovoltaicos será fundamental para lograr reducir el balance de las edificaciones y garantizar los edificios consumo cero.

Los fenómenos de la aeroelasticidad son fundamentales para un sistema de generación eólica y debemos empezar a verlo desde otra perspectiva. Dependiendo del caso debemos evadir el afán de evitar sus acciones en la estructura y por el contrario potenciarlo como fuente renovable de energía.

Las variables que afectan al fenómeno de los vórtices son muchas, y aunque existen múltiples investigaciones al respecto sigue siendo un fenómeno algo desconocido. Para desarrollar un sistema viable basado en este tipo de acciones del viento el sistema debe ser capaz de adaptarse, sin que ello implique demasiados cambios por cada proyecto.

La integración de los generadores de energía eólica en fachada puede ser realizada sin sacrificar el concepto arquitectónico de un proyecto. Es posible desarrollar un diseño, como el propuesto en esta investigación, que cumple funciones de protección solar y a la vez generar energía eléctrica.

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