Universidad Tecnológica de Querétaro

Universidad
Tecnológica de
Querétaro
Firmado digitalmente por Universidad
Tecnológica de Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=Universidad Tecnológica de Querétaro,
o=Universidad Tecnológica de Querétaro,
ou, [email protected], c=MX
Fecha: 2013.09.20 19:01:29 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“Airflow Energy Harvester”
Empresa:
University of Southampton
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN
PROCESOS INDUSTRIALES ÁREA MANUFACTURA
Presenta:
PÉREZ PÉREZ ROBERTO
Asesor de la UTEQ
Dr. Ivo N. Ayala García
Asesor de la organización
Dr. Steve Beeby
Santiago de Querétaro Qro. Septiembre del 2013
Resumen
Esta memoria de estadía describe el proceso realizado en la fabricación de un
nuevo generador de energía automático para aplicaciones de sensores
inalámbricos. Estos sistemas generan energía eléctrica de acuerdo al principio
de “La ley de inducción electromagnética de Faraday”.
La Universidad de Southampton cuenta con varios prototipos de generadores
manuales de posiciones fijas, cada uno con diferentes características. El
número de prototipos y su incapacidad de modificarse automáticamente
provoca pérdida de tiempo y dinero. Este proyecto busca realizar un generador
con movimientos automáticos que proporcione flexibilidad en el proceso de
prueba de nuevos prototipos, además de reducir el tiempo de desarrollo.
El primer paso para llegar al objetivo fue la investigación de antecedentes,
seguido del diseño en sistema CAD con la plataforma SolidWorks en el cual se
presentaron múltiples opciones. Posteriormente se realizó la validación del
diseño mediante simulaciones de flujo de aire en el sistema CAE de SolidWorks
Flow Simulation. Finalmente, la fabricación rápida y sencilla mediante una
impresora 3D que hizo posible el diseño CAD que se pretendía. Los resultados
fueron positivos, las pruebas realizadas arrojaron datos favorables que
demuestran que el generador automático está cumpliendo el objetivo. Aún
2
quedan
muchas
pruebas
por
realizar
debido
a
la
inmensidad
posicionamientos diferentes que se logra con el nuevo generador.
(Palabras clave: Generador, Impresora 3D, flujos de aire, sistema CAD, CAE)
3
de
Description
I work in a lab where there are PhDs and PhD students. They are from different
countries, but most of the people are from China. They are friendly, respectful
and competitive especially Andy who is my colleague. He is from Poland and
speaks English very well. The lab is very nice. It is big, with lots of light, clean.
My advisor is Dr. Dibin Zhu who is from China. He is average height; he has
brown eyes and round face. He is very intelligent, friendly and serious.
4
Dedicatorias
Quisiera dar mención a las personas que influyeron para que este sueño fuera posible.
En primer lugar a mi familia le agradezco a; mis papás y mi hermano que me brindan en
todo momento su apoyo incondicional en las decisiones que marcan los rumbos más
importantes en mi vida, a mi esposa que desde el primer instante que comencé este
sueño tuve su apoyo incondicional y fue la persona que nunca dejo de creer que fuera
capaz de lograr este sueño, aun cuando hubo momentos en los que yo mismo dude de
mis capacidades. Gracias
No hubiera podido emprender este camino sin el Ing. Juan Pedro que fue quien me
invito a participar en este tipo de programas y creyó firmemente desde el principio en
mis capacidades. Al Dr. Ivo Ayala que durante mi estancia en el Reino Unido siempre
estuvo al pendiente y me brindó su apoyo desde el comienzo.
A mi asesor en cargo en la universidad de Southampton al Dr. Dibin Zhu quien desde
que comenzamos a trabajar juntos me apoyaba en mis decisiones y mostro gran interés
en mi trabajo.
Comparto con ustedes esta frase maravillosa que un día pensé en rendirme mi esposa
me obsequio:
“No te rindas, por favor no cedas, aunque el frio queme, aunque el miedo muerda,
aunque el sol se esconda, y se calle el viento, aún hay fuego en tu alma, aún hay vida
en tus sueños. Porque la vida es tuya y tuyo también el deseo, porque cada día es un
comienzo nuevo, porque esta es la hora y el mejor momento”.
Mario Benedetti
A todos muchas gracias
5
Índice
Página
Resumen ............................................................................................................. 2
Description .......................................................................................................... 4
Dedicatorias ........................................................................................................ 5
Índice ................................................................................................................ 6
I.
Introducción ............................................................................................... 7
II.
Antecedentes .......................................................................................... 10
III.
Justificación ............................................................................................. 11
IV. Objetivos ................................................................................................. 12
V.
Alcance ................................................................................................... 13
VI. Análisis de riesgos .................................................................................. 15
VII. Fundamentación teórica .......................................................................... 16
VIII. Plan de actividades ................................................................................. 31
IX. Recursos materiales y humanos ............................................................. 32
X.
Desarrollo del proyecto ........................................................................... 33
XI. Resultados obtenidos .............................................................................. 67
XII. Conclusiones y recomendaciones ........................................................... 69
XIII. Anexos
XIV. Bibliografía
6
I.
Introducción
El modelo de la Universidad Tecnológica de Querétaro (70/30) que se enfoca
en el aprendizaje como un proceso a lo largo de la vida, enfocado al análisis,
interpretación y buen uso de la información, permite desarrollar proyectos como
el realizado en el Departamento de Electronics and Computer Science en la
Universidad de Southampton, Southampton, Reino Unido.
Uno de los proyectos de ECS es el denominado Airflow Energy harvester, el
cual forma parte de uno de los sistemas en búsqueda de un edificio inteligente
que integre sistemas; como la automatización, seguridad, telecomunicaciones,
energía, calefacción, ventilación y aire acondicionado. Con el fin de
proporcionar la calidad del aire para los usuarios del edificio, algunos sensores,
por ejemplo, temperatura, sensores de humedad y anemómetros, se deben
implementar en el conducto para controlar la calidad del aire.
Los sensores ambientales cableados deben ser desplegados, el costo del
cableado y el mantenimiento puede ser muy alto y el despliegue requiere de
mucho tiempo. Una forma más fácil es usar sensores inalámbricos, sin embargo
estos requieren de alguna fuente de alimentación, la cual comúnmente es por
medio de baterías, que tienen una vida finita y deben ser reemplazadas
periódicamente y desechadas de forma segura. Lo anterior implica un constante
mantenimiento y costos asociados. Para subsanar esta desventaja, se han
7
desarrollado sensores denominados generadores de energía. Estos sistemas
convierten la energía disponible en el ambiente (mecánica, química, térmica,
etc.) en energía eléctrica y han surgido como una forma de alimentar los
sensores inalámbricos. Requieren de un mínimo de mantenimiento, que los
hace fácil de desplegar en grandes distancias, número y espacios que antes
eran inviables: ambientes de riesgo para la actividad humana, áreas de difícil
acceso, entre otros.
Un caso susceptible de aprovechar los generadores de energía son los edificios
que cuentan con sistemas de ventilación. El flujo de aire a través de los ductos
de ventilación puede ser utilizado como la fuente de energía primaria, que a
través de un generador de energía, sea convertida a energía eléctrica para
sensores inalámbricos.
El modelo del generador de energía, para ductos de ventilación utilizado en
este proyecto consta mecánicamente de una viga con un único punto de apoyo,
en cuyo extremo libre se coloca una estructura aerodinámica triangular, o ala.
Un conjunto de imanes permanentes se fija al ala y una bobina se une a la base
del generador de energía. El ala oscila cuando el flujo de aire sopla sobre ella,
lo que hace que las líneas de flujo magnético pasen por la bobina, generando
energía eléctrica.
Al diseñar un sistema de pruebas para generadores de energía para ductos de
ventilación se busca encontrar el punto óptimo de posicionamiento donde se
8
genere la mayor cantidad de energía y que requiera de la menor cantidad de
flujo de aire posible. Para llegar a este sistema de pruebas es necesario realizar
el diseño óptimo que permita la obtención de estos movimientos con facilidad y
exactitud, dicho diseño requiere de la validación por medio de simulaciones de
flujo de aire que ayuden a predecir el comportamiento del prototipo sometido a
diferentes condiciones en el campo de aplicación antes de su fabricación. La
tecnología en impresoras 3D con la que cuenta la Universidad de Southampton
hace que la fabricación sea rápida y a un bajo costo.
9
II.
Antecedentes
La Universidad de Southampton en Southampton, Reino Unido, es una
universidad que alberga a miles de estudiantes internacionales y es
considerada una de las 10 mejores universidades del Reino Unido. En la
actualidad, la universidad mantiene un alto énfasis en investigaciones y recibe
la mayor demanda dedicada a investigaciones de Gran Bretaña, siendo así, uno
de los principales exportadores de descubrimientos del país, y del mundo. Una
de las escuelas más importantes de la universidad es ECS (Electronics &
Computer Science), en el cual se desarrolla este proyecto.
Anteriormente ECS había fabricado generadores de energía, algunos de estos
eran completamente fijos, esto significa que el posicionamiento de sus
componentes era único, otros eran ajustables hasta cierto punto, pero el poco
ajuste que permitían realizar era manual, es decir, que en el momento que se
buscaba cambiar la posición de los componentes, el prototipo tenía que ser
extraído del interior del túnel y una vez fuera se modificaba con herramientas
manuales.
10
III.
Justificación
Anteriormente ECS poseía generadores que al no contar con la facilidad para
que sus componentes pudieran cambiar de posición, limitaba en las pruebas la
obtención de diferentes datos, y de una enorme cantidad de tiempo y de dinero
invertido en la fabricación y pruebas de diferentes generadores. En la búsqueda
de la optimización del generador de energía ECS de la Universidad de
Southampton decide emprender un proyecto que busca fabricar un prototipo
que sea capaz de realizar movimientos automáticos sobre dos ejes y rotación
en la base del ala, esto permitirá que con un solo generador pueda realizar
diferentes pruebas y obtener datos de forma rápida y económica.
11
IV.
Objetivos
Objetivo general: Desarrollar el primer sistema de pruebas para generadores
de energía tipo ala de posicionamiento automatizado para sensores
inalámbricos en ductos de aire.
Objetivos específicos: Presentar una serie de diseños de diferentes opciones
de los cuales elegir el que cumpla con los requerimientos de ECS.
Analizar el comportamiento del flujo de aire dentro del túnel y sus diferentes
velocidades por medio de simulaciones.
12
V.
Alcance
Investigación: Investigar sobre anteriores trabajos del generador con el
objetivo de tener conocimiento de las últimas mejoras y trabajar sobre estas, y
omitir errores que en un pasado se llegaron a cometer.
Diseño: Diseñar con el sistema CAD (Computer Aided Design o Diseño
Asistido por Computadora) en la plataforma SolidWorks, las propuestas
necesarias para el nuevo generador de energía el cual debe ser capaz de
cumplir con movimientos en dos ejes y rotación en la base del ala.
Simulación: Simulaciones con sistema CAE (Computer Aided Engineering o
Ingeniería Asistida por Computadora) en la plataforma
SolidWorks Flow
Simulation para eliminar la complejidad de la dinámica de fluidos computacional
y trabajar con módulos específicos que simplifican el análisis especializado de
HVAC (ventilación, calefacción y aire acondicionado). Análisis de gran
importancia para este proyecto es saber el comportamiento y las velocidades de
los flujos de aire, estos son datos que se deben de conocer y analizar para la
validación de dicho diseño.
Fabricación: La fabricación se llevará a cabo mediante una impresora 3D que
hace posible la realización de casi cualquier diseño del cual se tenga un archivo
CAD. Además la impresora 3D es capaz de realizar piezas de forma rápida,
sencilla y de mayor complejidad que otras maquinarias. Otra parte de
13
componentes serán por medio de maquinaria mecánica. Y el resto de los
componentes serán comprados. Después de la obtención de dichos
componentes se ensamblará y se verificará que las medidas concuerden con
las diseñadas para evitar alguna anormalidad.
Pruebas: Las pruebas se llevarán a cabo en el laboratorio donde se cuenta con
el equipo para la realización de dichas pruebas que determinan si el prototipo
logro el objetivo o no cumplió con tales.
Reporte: Se elaborará un reporte completamente en inglés que será entregado
a ECS con el objetivo de testificar el trabajo realizado y apoyar a la elaboración
de las futuras mejoras.
14
VI.
Análisis de riesgos
Para este proyecto se cuenta con dos limitantes que son el tiempo y el
presupuesto asignado. Solamente se cuenta con 8 horas diarias, 5 días a la
semana durante 12 semanas. Y un presupuesto que en el Reino Unido es de
500 Libras esterlinas que convirtiéndolo en pesos mexicanos equivale a 10,000
pesos aproximadamente.
15
VII.
Fundamentación teórica
Ley de Faraday [1]: La ley de inducción electromagnética de Faraday establece
que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la
rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una
superficie cualquiera con el circuito como borde:
Donde
es
contorno C,
el
campo
eléctrico,
es
el
elemento
infinitesimal
del
es la densidad de campo magnético y S es una superficie
arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de
están
dadas por la regla de la mano derecha.
Esta ley fue formulada a partir de los experimentos que Michael Faraday realizó
en 1831. Esta ley tiene importantes aplicaciones en la generación de
electricidad.
16
Generador de energía manual para sensores inalámbricos en ductos de
aire [2]: En este trabajo se describe un nuevo generador de energía para
aplicaciones de sensores inalámbricos. El generador de energía consta de un
ala que está unida a un resorte en voladizo. Un conjunto de imanes
permanentes está fijado en el ala y una bobina se une a la base del generador
de energía. El ala oscila cuando el flujo de aire sopla sobre ella, lo que hace
que el flujo magnético corte para cambiar la bobina y genera energía eléctrica.
Las dimensiones del dispositivo son: 14.1cm × 10cm × 5.5cm. Los resultados
experimentales han demostrado que la cosechadora de energía puede
funcionar a velocidades de viento alrededor de 1,5m/s con su correspondiente
potencia eléctrica de 20μW. Cuando la velocidad del flujo de aire es de entre 2
y 4 m/s, que son valores típicos medidos en un ducto de un edificio de oficinas,
la potencia de salida es entre 90 y 573μW, que es suficiente para la detección
de periódicos y de transmisión inalámbrica.
Métodos de recolección de energía del flujo de aire existentes incluyen turbinas
eólicas, generadores eólicos y generadores piezoeléctricos. Sin embargo, todos
ellos tienen ciertas desventajas que los hacen inadecuados para la alimentación
de nodos de sensores inalámbricos. El aerogenerador es el método más
utilizado para la recolección de energía eólica. Sin embargo, su eficacia se
reduce con el tamaño, debido al aumento en los costos por fricción en los
cojinetes. Un análisis de las turbinas en miniatura predice una potencia de
6μW·m a 1m/s y para lograr 300μW a 0,5m/s requeriría un diámetro de rotor de
17
22cm. Por otra parte, los componentes rotatorios sufren de fatiga y desgaste,
especialmente cuando son miniaturizados, y no son capaces de operar sin
vigilancia durante 25 años.
El generador Windbelt micro (13cm × 3cm × 2,5cm) tiene una potencia de salida
de 2mW a velocidades de viento superiores a 5,5m/s, pero su potencia de
salida se reduce significativamente (<200μW) a velocidades de viento bajas
(<3,5m·s-1). Además, el generador de Windbelt puede ser extremadamente
ruidoso durante el funcionamiento. El generador aleteo piezoeléctrico requiere
un material piezoeléctrico muy flexible, de modo que la salida de potencia es
muy baja debido al pobre coeficiente de deformación piezoeléctrica de los
materiales existentes. El autor investigó un generador de energía de viento
formado por un voladizo con una viga flexible. Su dispositivo produce una
potencia de salida de 1.8μW a una velocidad del viento de 3.5 m/s. El autor
informó de un aerogenerador con un mejor material piezoeléctrico flexible, un
compuesto de fibra de Macro (MFC). Con salida de potencia eléctrica de
10.7mW produce a una carga de 100 ohmios a una velocidad lineal de 9,3m·s-1
en su prueba. Sin embargo, no se informó de la potencia de salida a menores
velocidades del viento.
El propósito de este programa de investigación fue evaluar el diseño y el
rendimiento de un aerogenerador en miniatura capaz de producir una cantidad
18
útil de la potencia para alimentar a los sensores inalámbricos de más de 100μW
a la velocidad del viento más baja posible.
El autor estudió un generador basado en un voladizo colocado verticalmente
con el principio de la ley electromagnética que funciona a través de flujo de aire
y que puede superar los inconvenientes de los dispositivos existentes. En este
trabajo, un mejor generador de energía de aire horizontal es investigado y
presentado. Principios de funcionamiento primero se presentan seguidos de
diseño y optimización del generador. Por último, los resultados de las pruebas
se presentan y se discuten.
Medición de flujo de aire. La velocidad del flujo de aire en el conducto de un
edificio de oficinas se midió con un anemómetro digital. Las lecturas realizadas
por el autor también fueron tomadas en tres diferentes profundidades en los
conductos, es decir, 10cm, 20cm y 30cm. Las velocidades de flujo de aire
constante varían dentro de los conductos. Diez grupos de lecturas se tomaron
para cada profundidad, los valores medios para representar el flujo de aire a
una profundidad particular de un conducto en particular durante un tiempo
determinado. Las mediciones se repitieron cada hora desde las 8:30 am hasta
las 16:30. Se encontró que la velocidad de flujo de aire típica en el conducto en
un edificio de oficinas es de entre 2 y 4m/s.
19
Figura 1: Velocidades de flujo de aire se mide en el conducto en un edificio de
oficinas [2].
La figura 2 muestra una foto del generador. El dispositivo consiste de un ala,
con cuatro imanes permanentes, conectados a un resorte en voladizo. Una
bobina se coloca en la base de la cosechadora de la energía para inducir
corriente eléctrica cuando los imanes se mueven. Un cuerpo de obstrucción se
coloca en frente del ala. La existencia y la posición del cuerpo de obstrucción
son importantes para el funcionamiento del generador de energía mediante flujo
de aire.
20
Figura 2: Generador de energía mediante flujo de aire [2].
El flujo de aire produce una oscilación cuando hay un desplazamiento inicial
hacia abajo del ala debido a la gravedad como se muestra en la figura. 3(a). El
aire que fluye sobre el ala hace que se doble como se muestra en la figura.
3(b), el grado de flexión es función de la fuerza de sustentación/resistencia del
perfil aerodinámico y la constante del resorte. En condiciones normales, ésta es
una deflexión estática, pero esto puede llegar a ser dinámico por causa de la
fuerza de sustentación a ser asimétrica con deflexión alrededor del eje cero, es
decir, para variar con la dirección de la deflexión del ala. Esto se logra mediante
la colocación de un cuerpo de obstrucción, que produce vórtices por debajo del
ala, a medida que el ala se desvía, el cuerpo de obstrucción reduce el flujo de
aire y la fuerza de sustentación, por lo tanto, haciendo que el ala para operar
principalmente bajo los efectos inerciales y así resorte de vuelta como se
muestra en la figura. 3(c). Cuando el ala regresa hacia atrás a la posición inicial,
el ala está expuesta al flujo de aire completo de nuevo, una vez más, la energía
21
se extrae del flujo de aire y el ciclo se repite. Por diseño y posicionamiento
apropiado del cuerpo de obstrucción.
Figura 3: Principio de funcionamiento generador de energía por flujo de aire [2].
22
Transductor electromagnético: El circuito magnético del generador de
energía se muestra en la figura 4. Dos ruedas de cobre se utilizaron para
acoplar el flujo magnético entre los imanes superior e inferior, que garantizaban
un campo magnético uniforme dentro de la cámara de aire. La bobina se une a
la base, la estructura de cuatro imanes se fija a una viga en voladizo y oscila
con el ala. Los imanes se movían con respecto a la bobina estática de modo
que la corriente inducida se genera dentro de la bobina de acuerdo con la ley de
Faraday.
Figura 4: Sección transversal de cuatro imanes [2].
23
Diseño de la cosechadora Energía: Con base en la experiencia en el diseño
de anteriores generadores de energía por medio flujo de aire un poco más de
simulación se realizó utilizando ANSYS fluido-estructura análisis de la
interacción para optimizar el diseño del generador de energía. Tanto ANSYS
mecánico y herramientas de ANSYS CFX fueron utilizados en la simulación.
Alas con diferentes secciones transversales se han estudiado para el diseño
optimizado, se encontró que el ala con una sección transversal triangular tiene
el mejor rendimiento aerodinámico en esta solicitud. El funcionamiento de este
generador de energía depende en gran medida de las distancias verticales y
horizontales entre la superficie de sustentación y el cuerpo de obstrucción, a y
b, respectivamente, así como el ángulo de elevación, α, como se muestra en la
figura 5. Tabla 1 a 3 muestran la relación de estas variables con la velocidad del
viento a partir del generador de energía. La velocidad de viento de partida aquí
se define como la velocidad del viento en el que el movimiento de pico a pico de
la ala es de más de 3 cm.
Figura 5: Optimización del generador de energía [2].
24
Tabla 1: Velocidad de inicio del viento vs distancias verticales entre el ala y el
cuerpo de obstrucción, a (b = 10 mm, α = 30 °) [2].
Tabla 2: A partir de la velocidad del viento frente a las distancias horizontales
entre el ala aerodinámica y cuerpo de obstrucción l, b (a = 8 mm, α = 30 °) [2].
Tabla 3. Velocidad de inicio del viento vs ángulos de elevación, α (a = 8 mm, b
= 10 mm) [2].
Resultados de la simulación proporcionan los valores óptimos para distancias
verticales y horizontales entre el ala y el cuerpo de obstrucción, a y b,
respectivamente, así como el ángulo de elevación, α como se indica en la Tabla
4.
25
Tabla 4: Los valores óptimos de simulación [2].
La fabricación del generador de energía manual: La base del generador de
la energía y el ala fueron fabricados utilizando materiales múltiples con la
impresora 3D Objet Connex350TM. Cada componente está impreso con
múltiples capas de fotopolímero 16μm de espesor. Cada capa de fotopolímero
se cura por la luz UV inmediatamente después de su impresión. El material
utilizado es lo suficientemente rígido para esta aplicación.
El voladizo es de BeCu 0,3 mm de espesor que tiene buenas características de
fatiga. Los cuatro imanes de NdFeB son para proporcionar un fuerte campo
magnético. La bobina se enrolla con hilo de cobre 50 micras de espesor. Sus
diámetros exterior e interior son de 15 mm y 1 mm, respectivamente, y que es
de 8 mm de espesor. La bobina tiene aproximadamente 16.000 vueltas. La
masa total del resonador se midió como 72,7 gramos. Las dimensiones totales
del dispositivo eran 14.1cm × 10cm × 5.5cm.
26
Experimento y discusión: La figura 6 muestra el túnel de viento utilizado en la
prueba. Para generar un flujo de aire se utiliza un ventilador centrífugo. El túnel
de viento tiene una abertura de 25cm × 15cm. El ventilador puede proporcionar
un flujo de aire de hasta 10 m/s.
Figura 6: Túnel de viento [2].
La figura 7 muestra el voltaje de circuito abierto del generador de energía. El
voltaje de circuito abierto aumenta con la velocidad del flujo de aire. Cuando la
velocidad del flujo de aire es superior a 5,5 m·s-1, el flujo de aire mantiene a el
ala en una posición determinada porque no hay atenuación eléctrica y la fuerza
de elevación supera la fuerza del resorte.
27
Figura 7: Tensión en circuito abierto del generador de energía [2].
Figura 8 muestra que la potencia de salida también aumenta con el incremento
de las velocidades de flujo de aire. El generador de energía comienza a trabajar
a partir de una velocidad de flujo de aire de sólo 1,5 m·s-1 y se produce una
potencia de salida de 20 mW. Esta velocidad de flujo de aire puesta en marcha
es más bajo que el de los enfoques de la competencia del mismo tamaño.
Cuando la velocidad del flujo de aire es de entre 2 y 4 m · s-1, que son valores
típicos medidos en el conducto en un edificio de oficinas, la potencia de salida
es entre 90 y 573mW, es suficiente para la detección de periódicos y de
transmisión inalámbrica.
Figura 9 muestra que la resistencia de carga óptima reduce con el aumento de
la velocidad del flujo de aire. Esto es debido al hecho de que cuanto más fuerte
el flujo de aire, mayor será la fuerza disponible total de amortiguación para
superar, y por lo tanto más energía puede ser extraída para un desplazamiento
dado.
28
Figura 8: Potencia de salida del generador de energía [2].
Figura 9: Optima carga resistiva del generador de energía [2].
29
El artículo presentó un mejor generador de energía electromagnético por medio
de flujos de aire, que fue diseñado para alimentar sensores inalámbricos en los
conductos de aire. Experimentalmente, se empezó a trabajar a una velocidad
de viento baja de tan sólo 1,5 m·s-1 y produce una potencia de salida mínima
de 90μW en el flujo de aire de 2 m·s-1 y superiores.
Para el generador de energía es importante limitar el desplazamiento del ala,
especialmente cuando la velocidad de flujo de aire es alta, con el fin de ampliar
la vida útil del dispositivo. Esto se puede realizar mediante el control de las
amortiguaciones eléctricas mediante la variación de la carga eléctrica. Para
lograr esto, el transductor debe tener un alto acoplamiento tal como el
dispositivo que aquí se presenta. Sin embargo, el alto acoplamiento
electromagnético puede reducir la potencia de salida a bajas velocidades de
viento. Existe pues, una solución de compromiso entre el grado de
acoplamiento electromagnético y la velocidad mínima del flujo de aire de
trabajo. Esto debe ser tenido en cuenta en el diseño del futuro de estos
recolectores de energía del flujo de aire. El trabajo futuro incluye la reducción
del tamaño del generador de energía mientras se mantiene el nivel de potencia
de salida útil.
30
VIII.
Plan de actividades
31
IX.
Recursos materiales y humanos
RECURSO
Colaborador con en grado de PhD
Practicante UTEQ
Computadora
Monitores
Túnel de acero
ventilador centrífugo
Impresora 3D
Torno convencional
Osciloscopio
Fuente de poder
32
CANTIDAD
1
1
4
5
1
1
1
1
1
1
X.
Desarrollo del proyecto
Este punto describe el proceso de diseño y fabricación de un generador de
energía mediante flujo de aire, con movimientos en dos ejes y ángulos de
posicionamiento del ala. ECS proporcionó los siguientes requerimientos: El ala
debía de tener diferentes ángulos de posicionamiento; el cuerpo de obstrucción
debía tener movimiento en el eje X y Y con una altura de 2 a 7 centímetros en el
eje Y y un movimiento en el eje X de 7 centímetros, como se muestra en la
figura 1.
Fig. 1: Generador de energía mediante flujos de aire [2].
33
Generador de posicionamiento manual: La Figura 2 es el primer diseño de
un generador manual que fue diseñado para tener una mejor idea de lo que se
quería obtener. Este diseño tiene las partes principales para los movimientos
necesarios, como cuerpo de obstrucción, la base principal y la base del ala.
Fig. 2: Diseño del generador con posicionamiento manual.
Generador de posicionamiento automático: Para mayor facilidad de aquí en
adelante se hará mención al generador de posicionamiento manual y
automático como generador manual o generador automático. A continuación se
mostrarán 12 de los 34 diseños realizados. Explicar por qué se seleccionan
esos 12 en específico.
Primera opción: La figura 3 muestra que para el desplazamiento de los ejes,
fue necesaria la introducción de perfiles y sujetadores que pudieron ser
impulsados por pistones. Esta es la primera opción, fue para un prototipo con
34
movimientos
automáticos.
El
prototipo
tiene
dos
características
muy
importantes: Cuerpo de obstrucción y base principal en comparación con la
cosechadora manual.
Cabe destacar que este diseño no fue terminado, solamente muestra posibles
opciones para la obtención de los movimientos requeridos.
Fig. 3: Primer diseño de un generador automático.
La tabla 1 muestra los cambios más importantes. En primer lugar, la base
principal cambio de tener dos ranuras a un solo agujero grande en el medio.
Esto permitió el movimiento del cuerpo de obstrucción, que antes necesitaba de
dos tornillos que permitían un ensamble de bloques para alcanzar una altura de
2 a 7 centímetro ahora sólo es una pieza con dos ranuras. Estas modificaciones
35
fueron fundamentales en lo sucesivo debido a que esto fue necesario para los
movimientos principales.
Tabla 1: Cambios importantes del generador manual a automático
Ventajas y Desventajas con la primera opción. El primer diseño presentó
todos los movimientos necesarios para que el cuerpo de obstrucción cumpliera
con los movimientos en los ejes X y Y. Estos movimientos se extienden de 2 a 7
cm en el eje Y, y de 0 a 7 cm en el eje X. Sin embargo, a fin de cumplir con
estos movimientos, este diseño presentó movimientos a través de perfiles que
tienen grandes dimensiones, lo que hace que las dimensiones del generador
aumenten y no cumplen con los parámetros requeridos.
36
Segunda opción:
La figura 4 se presenta un diseño que mostró una posible opción para los
movimientos en el eje Z e Y. El movimiento se conseguía mediante el uso de
varillas roscadas, pistas y elementos de fijación. Vale la pena mencionar que
este diseño no fue terminado completamente, sin embargo, el cuerpo
de
obstrucción y la base pudieron ser desplazados mediante cuatro motores paso
a paso.
Fig. 4: Segundo diseño del generador automático.
Ventajas y desventajas de la segunda opción. La ventaja de la segunda
opción fue que tenía una mayor precisión en los movimientos debido a la varilla
roscada y 4 motores. Sin embargo, esto hacia más caro el prototipo. Por lo
tanto, se optó por diseñar un prototipo con tres motores para todos los
movimientos; es decir, un motor para cada movimiento.
37
Tercera Opción: A continuación la tercera y cuarta opción son presentadas y
comparadas
El segundo diseño tenía cuatro motores para el movimiento y cuatro varillas
roscadas en los ejes X y Y para el cuerpo de obstrucción. Este diseño solo tiene
dos motores y dos varillas de rosca para los mismos movimientos. También
tiene una caja con tapa que tiene una función de soporte de peso para la
mayoría de las partes de la cosechadora, así como un tubo de acero que
funciona como guía del sistema X. Todo esto se puede ver en la Figura 5.
Fig. 5: Tercera opción del generador automático.
38
La figura 6 muestra el diseño de la cortina, que podría ser de plástico y capaz
de ser plegada para evitar la entrada de aire en la cosechadora. Esto es porque
se podría tener problemas en el futuro con la variación de flujo de aire.
Figura 6: Diseño de una cortina.
39
Cuarta Opción: El cuarto diseño es muy similar al tercero. Ambos tienen dos
motores para los ejes X y Y. Las diferencias es que la tercera opción tiene una
caja cerrada y la cuarta opción es abierta en varios lados. La otra diferencia es
la sección que se une a los dos ejes X y Y, es decir, la forma es diferente, se
puede ver en la Figura 7.
Fig. 7: Cuarta opción del generador automático
En la Figura 8 se presenta una vista más detallada de cómo son los
movimientos de los ejes y posicionamiento dentro de la caja. También se puede
ver la base del ala y la sujeción de los motores en el interior.
40
Fig. 8: Sistema del eje X. Cuarta opción.
La Figura 9 es una sugerencia para cambiar la forma rectangular del cuerpo de
obstrucción a una forma de triángulo. Pero en base a la experiencia en el ECS,
se sugirió dejar la forma rectangular.
Fig. 9: Cuerpo de obstrucción con forma de triangulo
41
Ventajas y Desventajas de las opciones tercera y cuarta. Estas opciones
tienen un mayor avance en el diseño del sistema de los ejes en comparación
con los dos primeros diseños. La ventaja es que ambos tienen sólo dos motores
para los ejes X y Y ya que esto reduce las dimensiones y el costo. También otra
diferencia entre la tercera y cuarta opción es que la caja que sostiene a la
mayoría de las partes en la tercera opción es una caja cerrada y la cuarta
opción es una caja abierta, lo que es mejor, ya que reduce la cantidad de
material.
42
Quinta opción: La figura 10 muestra un diseño similar a la cuarta opción con
una caja abierta en los lados, pero un cambio en la forma de sujeción para el
motor de eje Y que reduce las dimensiones. También un nuevo sistema de
engranajes para el movimiento del ala, este se encuentra en la parte posterior
del generador.
Fig. 10: Quinta opción del generador automático.
43
La Figura 11 presenta el nuevo sistema de engranajes y su base con las
ranuras para el ajuste de la distancia entre los engranajes.
Fig. 11: Sistema de Engranaje.
44
Sexta Opción: La diferencia entre esta opción y la quinta opción es el sistema
para el movimiento del eje Y. Este sistema se compone con 2 poleas y una
banda. Su ventaja es que reduce la altura de la cosechadora; sin embargo, este
sistema es más complejo y más caro debido a las poleas y la banda. Véase la
figura 12.
Fig. 12: Sexta opción del generador automático.
45
La figura 13 muestra dos modos diferentes de movimiento en el eje Y, se puede
ver que la altura se reduce, pero por lo menos otras cuatro partes son
necesarias.
Fig. 13: Sistema con poleas vs. Sistema normal
En la figura 14 se puede ver mejor los sistemas para el eje Y, una sugerencia
para el eje Z y el sistema de engranajes para el ala. Sin embargo, debido a su
complejidad, ninguno de estos sistemas se ha aplicado.
Fig. 14: Sistema del eje X, Y y del ala
46
Ventajas y Desventajas de las opciones Quinta y Sexta: Estas dos opciones
muestran la introducción de un sistema de engranajes para el movimiento del
ala. Este sistema dentro de la caja ayuda a ahorrar espacio. Sin embargo, este
sistema es muy complejo por esta razón se ha decidido buscar otra alternativa
para el movimiento del ala. También el sistema de poleas y la correa al eje Y
reduce las dimensiones de la caja, pero es muy complejo.
47
Séptima Opción: En esta opción, como podemos ver en la figura 15, hay
cambios en la forma de sujeción del sistema del eje Z, y el sistema del ala tiene
un actuador lineal para dar la rotación en el ala con un cambio de posición a la
mitad de la base del ala. Este último da movimiento fácilmente sin tener que
recurrir a un sistema de engranajes o poleas. El BOM (lista de materiales) fue
realizado para calcular el costo y el proceso de los materiales (ver Anexo 1).
También la parte del dibujo determina ¿Qué proceso es más sencillo, el plástico
o el metal? (ver Anexo 2).
Fig. 15: Séptima opción del generador automático.
48
Ventajas y Desventajas de la Séptima Opción. Esta opción presenta un
nuevo sistema para el ala y la forma de sujeción del motor Y con la reducción
de las dimensiones. Además, este diseño tiene motor paso a paso del actuador
lineal y es más fuerte que un motor paso a paso normal, sin embargo, el motor
lineal es más caro. Para ver las características del motor véase el anexo 3.
49
Octava Opción: La figura 16 muestra cambios muy importantes debido al uso
de motores de pasos que son más baratos que el actuador linear; Sin embargo,
los motores paso a paso tienen menos capacidad (ver Anexo 4). El eje Z
también tiene modificaciones en el sistema del ala. El eje Z cambia de posición
a un lado de modo que se coloca junto con la base del sistema, se une y puede
tener más precisión y con movimientos más fáciles en el momento de subir y
bajar, y con un sistema de poleas con ajuste para hacer girar el ala.
a) Vista isométrica
b) Vista lateral
Fig. 16: Octava opción del generador automático
Ventajas y Desventajas de la Octava Opción. Esta opción tiene un nuevo
sistema de poleas dentro de la caja para el movimiento de la banda, lo que
ayuda a reducir las dimensiones. Pero este sistema es muy complejo así que se
decidió buscar otra opción.
50
Novena Opción: La novena opción tiene otra vez el sistema para el movimiento
del ala como en la séptima opción con el motor en el medio de la base para el
movimiento de ala, también un cambio en la forma de la base que vemos en la
figura 17.
Fig. 17: Novena opción del generador automático.
Ventajas y Desventajas de la Novena opción. Esta opción, que facilita el
movimiento del ala, utiliza un actuador lineal motor paso a paso no cautivo. La
desventaja de este motor es el costo, ya que es muy alto. Por ello Decidimos
buscar otra alternativa para este sistema.
51
Décima Opción: La décima opción muestra piezas nuevas, dos potenciómetros
para medir la distancia del movimiento en los ejes (ver Anexo 5), también una
caja para armar y el cambio de lado del motor del sistema de ala. El BOM fue
realizado para calcular el costo y el proceso de los materiales (ver anexo 6).
Fig. 18: Décima opción del generador automático.
52
Ventajas y Desventajas de la Décima Opción. Esta opción tiene un motor
paso a paso en el sistema de ala en un lado; por lo tanto es más fácil de
controlar, pero esta opción necesita más piezas para tener el sistema de esta
manera. También el cambio de la caja ayuda a eliminar las piezas grandes.
La décima opción fue la seleccionada para la fabricación; sin embargo, el
equipo de impresora 3D mostró un alto costo debido a la cantidad de material y
tiempo de trabajo. Debido al alto costo, se diseñó un nuevo prototipo que
reduce el 70% del volumen.
53
Opción décimo primero: La figura 19 muestra el nuevo diseño con un 87%
menos volumen de material plástico que la décima opción (ver anexo 7). Para
lograr esta reducción, fue necesario modificar las dimensiones de casi todas las
partes y algunas otras partes fueron eliminadas (ver Anexo 8). También se
presentó con un tubo de guía y con dos tubos de guía en la parte delantera. Sin
embargo, se cree que con un tubo de guía es suficiente como puede verse en la
figura 20.
Fig. 19: Decima primera opción del generador automático.
54
Fig. 20: Opción con dos Guías Frontales
Ventajas y Desventajas de la Opción décimo primero. Debido a la reducción
de volumen, el costo de fabricación es más bajo, sin embargo, debido a que
tiene partes más delgadas, existe el peligro de una ruptura en el futuro por un
esfuerzo excesivo. Esta opción se fabricó ya que el coste de la impresión 3D
reduce en un 75% en comparación con el diseño anterior. Sin embargo,
presenta un problema en el sistema de eje Y en la que el motor no fue capaz de
mover el eje X; por esta razón se decidió cambiar el sistema.
55
Opción décimo segundo: La figura 21 muestra la opción doce con una
modificación en el motor del ala del eje Y para ayudar al otro motor en los movimientos
requeridos. También se muestra nuevas piezas necesarias como otra varilla roscada,
su base de la nueva varilla roscada, y otra base de ala. Y la lista de materiales fue
realizada para calcular el costo y proceso de materiales (ver Anexo 9).
Fig. 21: Decima segunda opción del generador automático.
Ventajas y Desventajas de la Opción décimo segundo. Esta opción tiene
dos motores en el eje Y, pero sólo tuvimos un motor para cada eje; esto
significa que para el sistema de ala no existe motor. También piezas nuevas
son necesarias y esto representa un aumento del 3% en el costo del prototipo
56
Materiales: La siguiente tabla muestra las propiedades plásticas de dos
opciones de polímeros para la posible selección para las piezas de plástico.
Cualquiera de estas dos opciones se recomienda por sus propiedades. PP es
más resistente a los choques, sin embargo ABS tiene mayor resistencia a altas
temperaturas. Ver tabla 2.
Tabla 2: Propiedades Plásticas
Plástico
Módulo de Young
896000000 N/mˆ²
Coeficiente de
Poisson
0.4103 N/D
Polipropileno
ABS PC
890 Kg/mˆ³
Límite de
tracción
27600000 N/mˆ²
2410000000 N/mˆ²
0.394 N/D
1020 Kg/mˆ³
--------------
57
Densidad
Simulaciones del generador de posicionamiento automático
Esta sección muestra las simulaciones realizadas para conocer las velocidades
del flujo de volumen que pasa a través del túnel, la velocidad de impacto con el
generador en un momento dado y el comportamiento del flujo de aire dentro del
túnel. En la figura 22 se puede ver el túnel de prueba y el túnel de simulaciones.
A continuación se muestra las simulaciones realizadas cada una con datos
similares tales como el volumen de flujo, la temperatura, la presión ambiente y
la determinación de la entrada y la salida de aire. Las simulaciones se llevaron
a cabo tanto con el generador automático y con el generador manual. Sin
embargo, sólo se mostrará la primera y la última simulación de cada generador.
La zona de entrada del túnel es 0.0375 m².
Fig. 22: Túnel real y diseño del túnel
58
Simulación de 2m/s generador automático. Esta es la primera simulación del
generador automático con los siguientes datos:
Tabla 3: Parámetros para la simulación 2m/s.
Flujo de volumen (m/s)
2
Flujo (m/s)
2
Temperatura (°K) Presión ambiente (Pa)
293.2
101325
Tabla 4: Resultados de la simulación 2m/s.
Velocidad máxima (m/s)
6.607
Velocidad de impacto (m/s)
2.542
Figura 23: Vista isométrica.
59
Figura 24: Vista lateral.
Simulación de 5 m/s generador automático. Este es la cuarta simulación con
el generador automático. Los valores de temperatura y presión son las mismas
para todas las simulaciones.
Tabla 5: Parámetros para la simulación 5m/s.
Flujo de volumen (m/s)
5
Flujo (m/s)
5
Temperatura (°K)
293.2
Presión del ambiente (Pa)
101325
Tabla 6: Resultados de la simulación 5m/s.
Velocidad máxima (m/s)
16.047
Velocidad de impacto (m/s)
6.175
60
Figura 25: Vista isométrica.
Figura 26: Vista lateral.
Simulación de 2 m / s generador manual. Debajo se muestran las
simulaciones para el generador manual. Los datos con los que se realizaron las
simulaciones son los mismos para el generador manual y el generador
automático.
Tabla 7: Parámetros para la simulación 2m/s.
Flujo de volumen (m/s)
2
Flujo (m/s)
2
Temperatura (°K)
293.2
61
Presión ambiental (Pa)
101325
Tabla 8: Resultado de la simulación 2m/s.
Maximum speed (m/s)
3.126
Figura 27: Vista isométrica.
Figura 28: Vista lateral
62
Simulación de 5 m/s generador manual. A continuación la cuarta simulación
con el generador manual. Todos los valores de volumen de flujo, la temperatura
y la presión de la simulación de 5 m / s son las mismas tanto con generador
automático que generador manual.
Tabla 9: Parámetros para la simulación 5m/s.
Volume Flow
(mᶟ/s)
0.1875
Flow (m/s)
Temperature (°K)
5
293.2
Tabla 10: Resultado de la simulación 5m/s.
Maximum speed (m/s)
7.923
Figura 29: Vista lateral
63
Ambient Pressure
(Pa)
101325
Resultados de las simulaciones. La tabla 11 muestra los resultados de las
simulaciones de 2 a 5 m/s con el manual y recolector automático, donde se
puede ver las velocidades de impacto y a la velocidad que el flujo de aire pueda
circular en el túnel.
Tabla 11: Resultados de la simulación de la velocidad máxima con el generador
manual y automático.
Velocidad
(m/s).
2
3
4
5
Generador automático
Velocidad máxima (m/s).
6.607
9.780
12.936
16.047
Generador manual
Velocidad máxima (m/s).
3.126
4.622
6.345
7.923
La tabla 12 muestra los resultados de las simulaciones de 2 a 5m/s con el
generador manual y automático para saber la velocidad del flujo que hay en el
túnel en el momento del impacto.
Tabla 12: Resultados de la simulación de la velocidad de impacto con
generador manual y automático.
Velocidad
(m/s).
2
3
4
5
Generador automático
Velocidad de impacto (m/s).
2.542
3.764
4.982
6.175
64
Generador manual
Velocidad de impacto (m/s).
1.196
2.136
3.357
4.244
La tabla 13 muestra todos los resultados de las simulaciones de 2 a 5 m/s para
el generador automático, para saber la velocidad de flujo de aire que hay en el
momento de la entrada al túnel.
Tabla 13: Resultados de la simulación con la velocidad de entrada del
generador automático.
Velocidad
(m/s).
1
2
3
4
Velocidad de entrada al túnel
(m/s).
1.525
2.258
2.989
3.705
Las simulaciones mostraron que la velocidad de flujo de aire que pasa dentro
del túnel es mayor con el generador automático que con el generador manual
debido a las dimensiones.
Nota: para estas simulaciones del cuerpo de obstrucción se colocó en la
posición más alta y más a la parte delantera, y el ala en un ángulo de 100
grados.
65
Fabricación: La fabricación de todas las piezas de plástico de la décima
primera opción requiere el uso de la impresora 3D, lo que facilitó la producción y
disminuyó el tiempo estimado de procesamiento. Las varillas roscadas eran las
únicas partes que necesitan mecanizado. El ensamble fue rápido por la
exactitud de las piezas. (Ver anexo 10).
66
XI.
Resultados obtenidos
La prueba se llevó a cabo con las siguientes características; una tasa de flujo
de aire de 2 y 3 m/s, el cuerpo de obstrucción en una posición vertical de 45
mm, el ángulo de ala en 130 °, la posición horizontal del cuerpo de obstrucción
aumenta cada milímetro de partida de 108 a 128mm. En la figura 31 se puede
ver estas características.
Figura 31: Prueba al generador automático.
Se obtuvieron buenos resultados en las pruebas, se puede ver en la figura 32
que hay un mayor voltaje de salida con la posición horizontal de 112 mm que en
las otras posiciones.
67
Figura 32: Voltaje de salida del nuevo generador de energía.
68
XII.
Conclusiones y recomendaciones
En el informe se presentó el diseño, fabricación y validación de un generador
automático con el fin de realizar más pruebas en la búsqueda de la posición
óptima para generar más potencia a un menor flujo de aire.
Después de que se observó diferente comportamiento de flujo de aire, que
depende de la posición del cuerpo de obstrucción, el ángulo del ala, las
dimensiones del generador, y si la cosechadora tiene caja o no. El autor
recomienda mayor número de simulaciones y de prueba con el nuevo
generador para ver comportamiento específico del flujo de aire en el túnel.
Al final los resultados fueron exitosos, las pruebas realizadas arrojaron datos
positivos que demuestran que el generador automático está cumpliendo el
objetivo. Aún quedan muchas pruebas por realizar debido a la inmensidad de
posicionamientos que se logra con el nuevo generador. El autor piensa que en
el futuro el generador puede ser completamente inteligente y que a medida que
cambie el flujo de aire y las condiciones, el generador puede ser capaz de
buscar las posiciones óptimas para generar la máxima cantidad de energía
posible.
Una recomendación para mejorar el movimiento del eje Y, el autor recomienda
un sistema con un engranaje cónico y una varilla roscada especial para
engranajes cónicos (véase el anexo 11). La ventaja de este sistema obtiene los
69
movimientos de los ejes con sólo un motor. La desventaja es que los dos
movimientos son al mismo tiempo y esto delimita diferentes posiciones
70
XIII. Anexos
Anexo 1
Opción BOM opción séptima.
Anexo 2
Dibujo de la parte de la séptima opción.
Anexo 3
Características de los motores externos y no cautivo.
Anexo 4
Características del motor paso a paso.
Anexo 5
Características del potenciómetro 60mm.
Anexo 6
BOM décimo opción.
Anexo 7.
Anexo 8.
Option 10 parts
Option 11 parts
Anexo 9.
BOM decimal segunda opción.
Anexo 10
Fabricación décima primera y decima segunda opción
XIV.
Bibliografía
[1] Maxwell, James Clerk (1881): A treatise on electricity and magnetism,
Vol. II, Chapter III. Oxford, UK: Clarendon Press.
[2] Zhu D. (2008): Airflow Energy Harvester. Tesis doctoral / Universidad
de Southampton. Southampton Reino Unido