Diseo de un carrusel generador de electricidad potenciado por energa humana

#1Jimmy Santiago Ortiz, #2Jorge Luis Jaramillo

#1 Profesional en formacin IET, Universidad Tcnica Particular de Loja #2 Docente investigador STE DCCE, Universidad Tcnica Particular de Loja

Loja, Ecuador

1jsortiz@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ec

Resumen - En este trabajo se describe los resultados obtenidos en la etapa de diseo de un carrusel generador de electricidad potenciado por energa humana, para ser aplicado en espacios pblicos como el Parque Recreacional Jipiro de la ciudad de Loja. .

Palabras claves energa, energa no convencional, energa humana, generacin de energa elctrica a partir de energa humana.

I. INTRODUCCIN

En un trabajo anterior, se analiz la potencialidad del aprovechamiento de fuentes renovables de energa para potenciar diversos procesos en el Parque Recreacional Jipiro (PRJ) de la ciudad de Loja, Ecuador. Como resultado se determin la posibilidad de aprovechar energa solar, energa humana, y, energa de biomasa, sin descartar el aprovechamiento elico.

En este documento se presentan los resultados obtenidos en la etapa de diseo de un carrusel generador de electricidad potenciado por energa humana, para ser utilizado en el parque.

II. DISEO DE UN CARRUSEL GENERADOR DE ELECTRICIDAD POTENCIADO POR ENERGA

HUMANA

A. Sobre el aprovechamiento de energa humana en carruseles

El xito de la energa renovable no solo pasa por el mejoramiento y optimizacin constante de las tecnologas para aprovecharla, sino que tambin incluye un fuerte componente de transformacin de la cultura de gestin de la energa en la sociedad, empezando por su generacin.

En los juegos mecnicos potenciados por energa humana, solo parte del esfuerzo realizado se destina a efectuar un trabajo, mientras que otro tanto se disipa. En este contexto, la captura de la energa humana disipada

en juegos mecnicos para transformarla en otras formas de energa, se convierte en un tema emergente.

B. Generalidades a considerar en el diseo del carrusel

En el marco de este proyecto, el equipo de trabajo decidi que el carrusel a disear debera ser portable (desarmable) a fin de reubicarse fcilmente en el territorio del PRJ, y, que la generacin de electricidad debera efectuarse a travs de mquinas de baja velocidad de rotacin.

C. Diseo estructural del carrusel

Para el diseo estructural del carrusel se decidi utilizar como modelo referencial, a las estructuras propuestas por Empower Playground [1]. El carrusel constar de cuatro partes: eje principal, plataforma de soporte, plataforma de generadores, y base (ver Fig.1).

Fig. 1. Diseo estructural del carrusel generador de electricidad potenciado por energa humana, A-eje principal, B-plataforma de soporte, C-plataforma de generadores, D- base. Diseo de autores.

Eje principal

El giro del carrusel produce elongacin y doblamiento en el sistema mecnico, lo que puede conllevar a problemas de oscilacin. Esto obliga a la utilizacin de materiales dctiles como acero slido y niquelado.

El eje principal estar conformado por 3 secciones (ver Fig.2), y, tendr una longitud total de 2m y un dimetro de 0,1m.

En la seccin A del eje, se montar la estructura de soporte de la iluminacin del juego. La seccin B alberga el sistema de rodamientos, a travs del cual se acoplan las plataformas de soporte y de generadores. La seccin C facilita acoplar y asegurar el eje a la base principal de la estructura. Esta base, de forma cbica (30cm x 30 cm x 30cm), permite embonar el eje, y sujetarlo con pernos y tornillos.

Fig. 2. Geometra del eje principal del carrusel generador de electricidad potenciado por energa humana. Diseo de autores.

Plataforma de soporte

Esta plataforma se acoplar mediante un sistema de rodamientos al eje principal. Esta plataforma deber ser lo suficientemente rgida para minimizar la deformacin causada por el peso de los ocupantes; pudiendo ser construida con una estructura de acero, recubierta con tool corrugado.

La plataforma de soporte tendr un dimetro de 1.20 m, y un espesor entre 4cm y 5cm. Se plantea que la plataforma albergue un mximo de 10 ocupantes. La plataforma estar diseada de acuerdo a las especificaciones propias de un carrusel, incluyendo la presencia de agarraderas de 0.6m de altura, construidas de tubo metlico de 0.04m de dimetro (ver Fig. 3 y 4).

Fig. 3. Geometra bsica de la plataforma de soporte. Diseo de los autores.

Plataforma de generadores

Esta plataforma estar ubicada y asegurada bajo la plataforma de soporte. El estator de cada uno de los generadores (alternadores) se sujeta a la base a travs de acopladores autoajustables, de forma tal que entre el rotor de la mquina y la plataforma de generadores exista la suficiente friccin (ver Fig.5).

El espesor mnimo de la plataforma de generadores se estim en 0.06m, mientras que su dimetro se calcul a travs de la ecuacin (1). Considerando que los alternadores necesitan de una velocidad de rotacin mnima de 250 rpm para funcionar, y que el dimetro del rotor es de 6 cm, se determin un dimetro de la plataforma de 100 cm.

(1)

En dnde,

1, es la velocidad de giro de la plataforma de generadores, rpm

2, es la velocidad de giro del eje del alternador, rpm

d1, es el dimetro de la plataforma de generadores, cm

d2, es el dimetro del estator del alternador, cm

Fig. 4. Geometra de detalle de la plataforma de soporte. Diseo de autores.

La plataforma de generadores se construir de igual forma que la plataforma de soporte, y, se asegurar a ella mediante 4 pernos.

Fig. 5. Geometra bsica de la plataforma de generadores Diseo de los autores.

Base

Sobre la base descansar todo carrusel, por lo que debe ser construida con materiales reforzados.

En la base tambin se emplazar la infraestructura y equipos para la instalacin del banco de bateras y otros bloques operativos del carrusel, por lo que se requerir de la instalacin de medidas de proteccin como vallas metlicas laterales.

La Fig.6 muestra que la base se conforma de 5 partes: una base principal, protecciones, acopladores autoajustables (en los que se ubicaran los alternadores), una caja para bateras, de almacenamiento; y, la base de acople del eje principal.

Fig. 6. Esquema general de base del carrusel, A-vallas de proteccin, B-base principal, C-acopladores autoajustables para alternadores, D- caja de bateras y circuitos elctricos, E- base para acople de eje principal. Diseo de autores

D. Diseo del bloque de conversin de energa mecnica a energa elctrica

Sobre el alternador a utilizar

La trasformacin de energa mecnica en energa elctrica se realizar utilizando 2 alternadores de baja velocidad de rotacin.

En este proyecto, se utilizarn alternadores tipo DC-520 de magnetos permanentes. Este tipo de alternador trabaja en velocidades de rotacin cercanas a 240 rpm, y, niveles de voltaje de 12V [2] (ver Fig.7)

Fig. 7. Vista panormica del alternator DC-420 Basic High wind permanent magnet [2].

Los alternadores de automvil estndar presentan la desventaja de que a velocidades de 240 rpm, pueden entregar voltaje de 12 VCD, pero en potencias bajas (ver Fig. 8). Como mayor ventaja se recalca que al ser industrialmente ensamblados, los problemas de exactitud y precisin son mnimos, y consecuentemente el mantenimiento es casi innecesario.

A una velocidad de rotacin del rotor de 250 rpm, a 12 V, el alternador entrega aproximadamente 8A, por lo que la potencia entregada se acerca a 96 W.

Fig. 8. Curva de corriente de alternador tipo DC-420 Basic High Wind permanent magnet [2].

Sobre el bloque de storage de energa

El almacenamiento de energa se har en bateras tipo KPL-52, cuyas caractersticas tcnicas se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1. Caractersticas fsicas de batera kpl-52P [6].

Modelo Ah Dimensiones (mm) Peso

aproximado Electrolito

Longitud Ancho Altura (Kg) Litros KPL-52P 52 58 139 400 5.4 1.7

La energa almacenada en las bateras se utilizar para potenciar la iluminacin nocturna del carrusel. Para determinar el amperaje necesario se hace uso de la ecuacin (2). [3].

P V. I (2)

En dnde,

P, es la potencia del sistema, W V, es el voltaje, V I, es la intensidad de corriente, A

El carrusel utilizar 2 iluminarias LED de 5 W cada una (ver Fig.9). Por lo que, para un voltaje de 12V, la corriente requerida es de 0.8A.

Fig. 9. Detalle del montaje de iluminarias en el carrusel. Diseo de los autores.

La capacidad de la batera requerida (Ah), se obtiene considerando el amperaje requerido y el tiempo de operacin (ver expresin (3)) [4].

C I. t (3) En dnde,

C, es la capacidad nominal de la batera, Ah I, es la intensidad de corriente elctrica, A t, es el tiempo de operacin previsto, h

En el marco de este proyecto, se considera que la iluminacin operar aproximadamente 5 horas, entre las 18h00 y las 23h00 horas. Con esta consideracin, la capacidad de la batera se calcul en 4 Ah. Sin embargo, con el nimo de ahorrar energa, se prev la instalacin de un sensor de presencia, y, de una fotocelda en el circuito de activacin de las iluminarias.

La capacidad real del bloque de storage de energa, se obtiene a partir de la ecuacin (5), considerando el nmero de das en que el sistema de provisin de energa no se encuentre operativo, y, el coeficiente de descarga de la batera [5].

C

! (5)

En dnde,

C, es la capacidad nominal de la batera, Ah f, das que el sistema de provisin de energa no

estar en funcionamiento durante la semana r, es la profundidad de descarga de la batera

En este proyecto se consider que el sistema de provisin de energa podra no estar activo un mximo de 2 das. Tal como la batera posee un coeficiente de descarga de 0.8, entonces la capacidad nominal de la batera se estim en 10 Ah.

La Fig.9 muestra el esquema general de conexiones elctricas del bloque de storage de energa.

Fig. 9. Esquema de conexiones elctricas del bloque de storage y bornera de salida [7].

III. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos muestran la factibilidad tcnica de implementar un generador de electricidad potenciado por energa humana, utilizando la estructura de un carrusel. .

IV. REFERENCIAS

[1] EmpowerPlaygraunds. [en lnea]. Disponible en [Consulta Marzo 2015].

[2] Wind Blue power,Driven Permanent Magnet Alternator.. Disponible en http://www.windbluepower.com/Wind_Blue_Motor_Hydro_Per

manent_Magnet_Alternator_p/dc-500.htm.[Consulta Marzo 2015]

[3] Freddy Valdovinos, Almacenamiento de energa: Desarrollos Tecnolgicos y Costos. disponible en [Consulta Marzo 2015].

[4] MDS PowerInc, SIZING AN INVERTER BATTERY BANK, [en lnea]. Disponible en < http://www.majorpower.com/inverters/battery_sizing_faq.pdf>, [Consulta Marzo 2015]

[5] Electricasas Co. Ltd, Clculos para un Sistema Bsico Fotovoltaico. [en lnea]. Disponible en [Consulta Marzo 2015]

[6] KPL,KPM,KPH Nickel-cadmium batteries, Realiability and preformance. . Disponible en

[http://www.amcosaft.com/sites/default/files/document_repo/AMCO%20Saft%20KP%20Range_final%20web_0.pdf] [consulta Marzo 2015].

[7] UTPL. Diseo de un sistema de iluminacin interior para aulas escolares tipo, potenciado por energa humana a travs de juegos infantiles. Autor: ngel Patricio Songor Jaramillo [Consulta Marzo 2015]