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Propuesta para la Construcción de un Auto Eléctrico en UPRAGTRANSCRIPT
Universidad de Puerto Rico
Recinto de Aguadilla____________________________________________________________________________
Propuesta para la Construcción de un Auto Eléctrico en UPRAG
Jomel Maldonado Vélez 802-97-4141
Departamento de Electrónica30 de enero de 2011
Profesora: Awilda Meléndez
Una Propuesta para la Construcción de un Auto Eléctrico en UPRAG
Problema y Justificación
Puerto Rico y el planeta están viviendo un momento crítico con respecto al calentamiento global
y el agotamiento de las fuentes de energía de combustibles fósiles. La comunidad científica ha
alertado por décadas sobre los efectos devastadores que representa el calentamiento global para
la humanidad. Gran parte de la sociedad desconoce el impacto que tienen las actividades diarias
y que cosas pueden hacer para reducir o limitar el impacto del calentamiento global.
La comunidad científica pronostica que eventualmente surgirá escases de los combustibles
fósiles. Debido a dicha escases y la evidenciada correlación que tiene con el calentamiento
global, el ser humano busca alternativas para producir energía con fuentes renovables. Existen
distintos tipos de fuentes de energía renovable: (i) energía solar, (ii) energía eólica, (iii) energía
océano-termal, (iv) energía mareomotriz, (v) energía hidroeléctrica, (vi) energía geo-termal, (vii)
biomasa, entre otras
La Universidad de Puerto Rico, en conjunto con la comunidad universitaria, tienen que
establecer un plan y programas que contribuyan a concienciar a los individuos de modo que
todos puedan aportar con ideas o trabajo voluntario en la reducción de las emisiones de gases de
invernadero.
Una de las metas de la Misión de la Universidad de Puerto Rico Recinto de Aguadilla es
Contribuir al mejoramiento y desarrollo de la sociedad puertorriqueña por medio de actividades
de creación, investigación y servicios. Además, su visión es de: ser modelo de excelencia entre
instituciones similares, dentro y fuera de Puerto Rico, que propicie el trabajo productivo y
colaborativo. La Universidad es quien tiene el conocimiento técnico para adiestrar sobre estos
temas a la comunidad puertorriqueña. Es por eso, que esta propuesta va dirigida a establecer un
proyecto que sirva de punta de lanza sobre la educación en fuentes de energía renovable y el eso
eficiente de las mismas. Específicamente, se propone la creación de un proyecto piloto de un
auto propulsado por energía eléctrica. El logro de éste proyecto, será uno de gran importancia
para la Universidad de Puerto Rico Recinto de Aguadilla y la posicionará como institución líder
en el área noroeste de Puerto Rico. Además puede aumentar la motivación y el interés de
nuestros estudiantes en sus programas de estudio contribuyendo a mejorar la tasa de retención
estudiantil.
Metodología
El Proyecto del Auto Eléctrico será uno emblemático para el Departamento de Electrónica del
Recinto de Aguadilla de la Universidad de Puerto Rico. El proyecto será de carácter multianual y
envolverá el trabajo de la facultad y los estudiantes del Departamento. Como todo proyecto de
investigación, éste requiere de un plan para cumplir con los objetivos que se proponen. Las fases
de la metodología serán las siguientes:
1. Búsqueda de Información de fuentes primarias y secundarias para la primera orientación
del proyecto.
2. Establecimiento de objetivos y metas de la investigación. Entra las mismas podemos
mencionar:
a. Ofrecer cursos sobre energía renovable (solar)
b. Diseñar Prototipo
c. Construir Auto Eléctrico
d. Participar en competencias en los Estados Unidos o internacionales.
3. Redacción de la Propuesta para conseguir financiamiento para el auto eléctrico a las
siguientes organizaciones:
a. Recinto y Oficina del Presidente UPR
b. Organizaciones No Gubernamentales – (National Science Foundation, American
Solar Energy Society, Fundación Toyota, IEEE, etc.)
c. Organizaciones Gubernamentales – (Department of Energy)
4. Implantación del Proyecto. El proyecto tendrá una duración de tres años en todas sus
fases incluyendo la participación en competencias internacionales y posterior publicación
de los hallazgos en una revista académica a partir del momento en que se reciba el
financiamiento de la propuesta. El itinerario preliminar de trabajo una vez se reciban los
fondos será el siguiente:
a. Creación de una cuenta bancaria institucional.
b. Establecimiento del Grupo de Investigadores (Profesores Auxiliares y
estudiantes).
c. Presentación del Proyecto a la Comunidad Universitaria.
d. Preparación de los Cursos o Talleres.
e. Diseño y aprobación de un prototipo
f. Construcción del Vehículo.
g. Evaluación de los resultados de las pruebas de seguridad, manejo y eficiencia del
auto eléctrico en pistas locales.
h. Participación en Competencias Internacionales.
i. Publicación del Proyecto en una Revista Académica.
5. A continuación se presenta un Presupuesto Estimado del Proyecto:
Presupuesto Estimado (3 años)
Auto Eléctrico
Partida Cantidad
Cursos & Talleres $
15,000.00
Materiales Auto Eléctrico $
30,000.00
Compensación Profesores Investigadores (3) $
30,000.00
Seguros $
10,000.00
Exhibición y Publicaciones $
5,000.00
Otros Gastos $
10,000.00
Total $100,000.0
0
Resultados de la Investigación
De la búsqueda en fuentes secundarias sobre autos eléctricos hemos encontrado varios asuntos
importantes que debemos destacar.
Ventajas del Motor Eléctrico Vs. Motor de Combustión Interna
Existe mucho escepticismo sobre los motores eléctricos como medio para impulsar un auto.
Unos argumentan que no suben con facilidad terrenos con niveles de pendiente bastante
inclinados mientras otros dicen que no pueden alcanzar velocidades altas. La realidad es que un
motor eléctrico es mucho mejor que uno de gasolina.
En un motor de combustión interna, el cual convierte energía química a mecánica, más del 60%
de la energía del motor se pierde o se disipa a través del calor y la fricción, dejándonos con una
energía útil de un 40%. De este 40%, se le disipa otro 25% en la transmisión debido a la
amortiguación torsional de la “piñoneria” y ejes de propulsión. O sea, que el caballaje que se
registra en las gomas cuando se mide con un dinamómetro es una pequeña parte de lo que en
realidad el motor es capaz de generar. Otra desventaja de un motor de gasolina es que el
caballaje y torque útil lo comienza a crear a altas revoluciones, como por ejemplo, luego de
5,000 RPM en adelante.
Además, las emisiones suben drásticamente cuando el motor esta a baja revolución. De hecho,
hay tres tipos de emisiones que se generan durante la combustión. Estos son monóxido de
carbono (CO) que es la gasolina parcialmente quemada, hidro-carburos (HC) que es la gasolina
incombusta o sin quemar del todo y por último los Óxidos de Nitrógeno (NOx) que se generan
luego que la cámara de combustión pasa de los 2,500 grados Fahrenheit. Estos tres tipos de
emisiones son algunos de los varios causantes del efecto de invernadero.
En cambio, un motor eléctrico, el cual convierte energía eléctrica a mecánica, solamente crea
fricción en los casquillos, y son solo dos. Vienen algunos con el eje montados en caja de
rodamientos que reduce aun más la fricción. Por esta razón no pierde tanta energía en disipación
térmica ni fricción. También, los motores eléctricos tienen una eficiencia de más de 92%. Es
decir que logran convertir un 92% de la energía eléctrica suministrada a energía mecánica.
Además, otra ventaja es que un motor eléctrico crea su torque máximo desde 0 RPM, o sea, que
no hay que “revolucionarlo” para que pueda mover alguna carga. Además tienen la ventaja de
que no tienen que permanecer girando a baja revoluciones cuando se espera en los semáforos y
tampoco están limitados a unas revoluciones máximas. Con esto se puede eliminar el embrague
y utilizar una transmisión de un solo cambio fijo. Por ejemplo, el GM EV1 (auto eléctrico) tiene
una transmisión fija con un ratio de 10.946:1 y con este único cambio, arrancando le gana a un
Mazda Miata como hasta las 80 mph, y solo tiene 137 caballos de fuerza, pero sin embargo tiene
110 lb.-ft. de torque desde 0 RPM. Es por esta razón que gana en arranque. Además, alcanza una
velocidad máxima de 183 mph.
Autos Híbridos
Los autos eléctricos tienen varias ventajas, lo único que los limita a que no se produzcan en masa
y que los conductores no lo acepten es el limitado rango de millas que pueden alcanzar por cada
carga. Existen dos tipos de sistemas híbridos, el hibrido paralelo y el hibrido serie:
a) Hibrido Paralelo- son aquellos que el motor de gasolina va a mover las gomas del
vehículo por medio de una conexión mecánica. Desventaja de este es que el motor tiene
que ser más grande para que pueda arrastrar el vehículo cuando este viaje a velocidad
crucero.
b) Hibrido Serie- son aquellos que el motor de gasolina va a mover un generador de alta
potencia, el generador va a mover al motor eléctrico por medio de una conexión eléctrica,
y el motor eléctrico es el único que va a mover el vehículo como tal. El motor de gasolina
en estos casos nunca se conecta mecánicamente a los ejes. Esta configuración resulta ser
más eficiente por qué se puede ajustar el motor de gasolina a unas revoluciones óptimas y
dejarlo a esas revoluciones fijas. Además el motor de gasolina puede ser más pequeño ya
que solo va a mover el generador. A esas revoluciones fijas se pueden controlar mejor las
emisiones de gases.
Auto Solar
La historia de los autos solares se remonta a 1982, cuando Hans Tholstrup, y el piloto de carreras
Larry Perkins, construyeron y manejaron el primer auto solar, el "BP Quiet Achiever" desde
Perth hasta Sidney. Cruzar Australia de oeste a este para un total de 2,522 millas tomó 20 días
con un promedio de velocidad de 14 m.p.h.
El propósito de este primer auto, fue el de mostrar al mundo tres cosas:
la energía solar era una fuente muy importante y suficientemente desarrollada para
sustituir a los combustibles fósiles
el transporte terrestre tiene alternativas no contaminantes como el vehículo eléctrico
crear el interés en el mundo científico por el desarrollo de ambas.
Autos Eléctricos
Desde el comienzo de la historia del automovilismo, se ha tratado de construir autos eléctricos.
Esta historia se remonta para principios del 1900. Los esfuerzos cesaron ya que el rango que
alcanzaban en millas por cada vez que se recargaba no era suficiente para satisfacer las
necesidades del conductor promedio. Además, también existían ya para esta época los motores
de combustión interna. Los ingenieros optaron por los motores de combustión interna ya que
comparándolos con los eléctricos, los de gasolina rendían muchas más millas por tanque.
Este problema se debe simplemente a una razón. La densidad de energía o densidad energética
de la gasolina es mucho más alta que la densidad energética de las baterías. Esto quiere decir que
una batería de 12 voltios y 500 amperes tiene aproximadamente la energía equivalente de un
cuarto de un galón de gasolina. La mayoría de los autos tienen más de 12 galones de capacidad
en el tanque. En este caso necesitaríamos más de 48 baterías que por el peso que tienen, el
volumen que ocupan y el tiempo que se tarda en recargar, resultaría un inconveniente para poder
aplicarlo a un auto.
Ahora, 100 años más tarde la tecnología ha incrementado grandemente. Pero aun no se ha podido
modificar mucho la densidad de energía de las baterías. Sin embargo si se han podido hacer
motores eléctricos mucho más eficientes y reducir los tiempos de carga. Como regla general,
mientras más rápido se recargue una batería, más se le acorta la vida. Existen varios tipos de
baterías, entre ellas están:
1. Baterías de Plomo-Acido - son las más utilizadas en los autos convencionales
2. Hidruro de Metal y Níquel (Ni-MH)
3. Níquel y Cadmio (Ni-Cd)
4. Iones de Litio (Li) – es la más aceptable ya que se puede recargar sin tener que
descargarla, no crea efecto de memoria ("memory effect").
Componentes principales
a) Baterías = La cantidad de baterías que utilicen determina cuantos millas de distancia se
tiene para correr el auto entre cada ciclo de carga y descarga. Se debe buscar un balance
entre voltaje del sistema vs. peso de baterías.
b) Controlador = Se encarga de regular el voltaje que llega al motor para poder controlar la
aceleración progresivamente. Se recomienda uno que sea programable, tenga la opción de
freno regenerativo y pueda hacer Data Log.
c) Motor = Se encarga de convertir la energía eléctrica en movimiento mecánico. Se
recomienda uno mayor de 15 caballos de fuerza.
d) Transmisión – se encarga de acoplar el movimiento rotacional del motor hacia el
diferencial, debe ser de cambios manuales para mayor eficiencia en la línea de
transmisión de torque.
e) Vehículo – se puede utilizar un vehículo de combustión interna como donante para el
chasis, carrocería, trasmisión y diferencial. Se le removerá el motor de gasolina y los
sistemas asociados como el radiador, tanque de combustible, tubería de escape, etc. Debe
ser liviano con una forma que permita hacer las modificaciones necesarias para acomodar
los distintos componentes.
Prototipo Auto Eléctrico
Diseño
Se debe utilizar un chasis existente, para minimizar el tiempo de fabricación y sus costos
asociados. Sobre el chasis y/o la carrocería se instalara los componentes previamente
mencionados. El chasis debe ser liviano y debe tener una suspensión que articule para absorber
las cargas cíclicas y proteger los componentes. En la suspensión trasera, debe tener el motor
eléctrico conectado por medio de engranajes utilizando la trasmisión de vehículo donante, la cual
propulsara el carro eléctrico. La suspensión delantera deberá tener un sistema direccional de
piñón y cremallera con conexión mecánica al volante, según las regulaciones federales. Además
tiene que tener sistema de frenos en cada rueda que sea capaz de detener el auto en un tiempo
estipulado. El auto debe cumplir con todas las regulaciones federales como las del DOT y las
regulaciones estatales para poder ser registrable y sea legal conducirlo en las vías publicas.
La carrocería se puede modificar para reducir el peso y mejorar la aerodinámica. La cabina debe
tener un parabrisas, pero los lados deben tener suficiente ventilación para el conductor. La cabina
debe tener suficiente espacio para que el conductor pueda salir del auto en menos de 15
segundos, además debe contar con ventilación adecuada para que no se acumule los gases de las
baterías.
El auto eléctrico también requiere de una infraestructura para poder recargar sus baterías, se
puede utilizar el sistema de energía renovable existente en el Departamento de Electrónica para
recargar el auto.
Conclusión
En resumen, hemos presentado en las distintas fases de la investigación una comparación entre
autos eléctricos, de gasolina, híbridos y solares. Esto ha sido necesario para ilustrar el concepto
de auto eléctrico el cual es la meta de esta propuesta. Se presentaron opciones de equipo y
diseño para realizar la propuesta en la Universidad de Puerto Rico Recinto de Aguadilla.
Hay que tener en cuenta que los autos eléctricos son un medio de transportación viable, y son
una excelente plataforma para probar tecnología nueva. Este proyecto debe verse desde un punto
de vista educativo e investigativo.
Además este proyecto entusiasma y orienta a los estudiantes a estudiar en los campos de
Ingeniería Mecánica, Eléctrica y otros campos relacionados. Es un proyecto dirigido a crear
consciencia del daño que estamos creando al medio ambiento si seguimos dependiendo de
fuentes de energía no renovables.
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