Video: Funcionamiento Generador

Elección del Diseño y algunos detalles

Después de haber analizado los distintos modelos, nos inclinaremos en desarrollar el modelo con bases de tubos de papel (hojas recicladas), pero con una hélice de tres aspas como se había desarrollado con anterioridad.

A continuación hicimos una matriz, en la cual seleccionamos según los criterios expresados en el desarrollo del concepto, de las hélices con sus aspas y de la estructura.



El color amarillo, es la que seleccionamos, ya que nuestros principales criterios de elección fue la fabricabilidad y el peso, y esta es la que mejor cumple con esos requisitos. Esta hélice, permite alcanzar una potencia relativamente fuerte, pero con un peso menor ya que posee pocas aspas.



El color amarillo es el seleccionado, ya que al igual que con las aspas, este material es fácil de trabajar para fabricar el dispositivo, y de muy bajo peso. Pero, por ejemplo, lo que nos llevo a elegir este y no madera de balsa, es su bajo costo, que es de descarte, y que es innovador.


Esta hélice, tendrá un diametro de 60cm, es decir, cada aspa será de 30 cm, y estamos viendo de que material será. Los dos posibles materiales son plástico de una botella retornable de coca-cola y el pai.

En caso de hacerlo con plástico de una botella, se dibujan las aspas en ésta, y luego se recortan. La gracia de hacerlo de esta forma es que las aspas quedan curvadas.

Y en caso de hacerlo con pai, se hace un molde de madera, con la forma de la aspa, y luego se le coloca el pai encima y se calienta, tomando la forma del molde, y luego, se saca el molde y quedan las aspas listas. Este último método es mucho más lento que el anterior.

Es importante explicar que la forma de las aspas es curva por dos razones principales:

1- Entrega mayor estabilidad al aspa, ya que es más resistente a la carga frontal en comparación con un aspa plana. Por consecuencia, permite escoger un material más liviano (menor espesor).
2- Es un aspa más eficiente que la plana. Desde luego, es el aspa que usan todos los sistemas eólicos industriales. La explicación más científica, es que cambia la dirección del viento gradualmente y en mayor ángulo que el aspa plana, lo que le permite absorber más energía.

Para crear la base, elegimos la opción de los tubos de papel, la cual nos da una gran resistencia y un muy bajo peso.La estructura sera de un largo de 40 cm, y las demás dimensiones las iremos mencionando en lo que queda de tiempo.

Cálculo de la potencia efectiva:

Para calcular la potencia que va a generar nuestra hélice a partir del ventilador, supusimos que nos encontrábamos en un estado ideal en donde el viento es constante en toda la superficie de las aspas (tanto al costado de las aspas como al centro) y que no había pérdidas por cambios de intensidades de viento. La fórmula para calcular la potencia de sistemas eólicos es:

En donde 0.52 corresponde al máximo factor de capacidad de un sistema eólico. Además como sabemos que la potencia que nos entrega el ventilador es de 187 W, y que nuestra hélice se encuentra a 1.5m del ventilador en donde la velocidad, observamos en la tabla (que vimos en clases) la velocidad del viento, la cual si la consideramos constante para toda la hélice, es de V= 4,95 m/s (es aquí en donde consideramos que nos encontrábamos en un estado ideal).

También podemos calcular el área, considerando que nuestras aspas van a tener un radio r = 0.3m y que el área que barre corresponde a una circunferencia, luego:

A = л •0.32.

Por último, la densidad del aire corresponde a:

ρ = 1.22 kg/m3

Con esto tenemos finalmente que la pontencia efectiva ideal del sistema eólico es:

P = 10.9224 W

A continuación presentaremos como se vería nuestra hélice (sin el soporte). Esto lo hicimos mediante el Autodesk Inventor, y está hecho a escala 1:1. Esta imagen corresponde a la hélice con tres aspas en tres dimensiones.



Aquí podemos observar las 2 aspas solas (donde se puede notar mejor la curvatura que tienen)



Por último, aquí tenemos los planos de la hélice con sus respectivas medidas

También diseñamos como va a ser nuestro soporte de la hélice. Esto no es nuestro soporte final, sino que es para que se tenga una idea de como va ser. Como mencionamos antes, el soporte será de tubitos de papel reciclado. A Continuación algunas imágenes de nuestro ventilador.




A continuación, se mostrara una matriz con las principales características de nuestro diseño:

Debido a la facilidad de construcción de una hélice con materiales reciclables, con un eje de un palito de maqueta y aspas de plasticos de una botella, construimos un prototipo muy simple (de menor tamaño) para ver como se comportaría frente a un ventilador de 25cm de diametro, calculando así la potencia de esta hélice, al ser capaz de subir un tornillo en cierto tiempo.

También realizamos otro video de la misma hélice anterior para ver como funcionaba con el ventilador.

Selección de conceptos (continuación)

Alternativamente seguimos investigando algún otro tipo de hélice, y se nos ocurrió hacer una hélice plana, que es de mas fácil diseño, y por ende mas barata, y que puede ser capaz de generar la misma potencia que la hélice curva, la hélice diseñada es la siguiente.

Diseño 1

La cual montada en el aparato antes mencionado queda de la siguiente forma:

Pero analizando esta opcion, pesamos que puede ser muy pesada, y por ende no cumplir con una de las necesidades del cliente, asique analizamos una con menos azpas:

Diseño 2

Esta hélice se ve bastante mas liviana que la anterior, y mas barata, y mas fácil de armar, pero generara menor potencia.

Todos estos diseños mostrados anteriormente, tienen el problema de la dirección de la hélice, la cual no aprovecha todo el viento, y el problema de que la estructura tiene que resistir la hélice, por lo cual hay que hacerla de algún tipo de madera, o tuvo de pvc, para que sea mas fácil el giro, pero que le agrega peso.

Este diseño, cumple con varios requisitos del cliente, es resistente, fácil de armar, autosustentable, bajo costo, no contamina, pero creemos que puede tener un problema de eficiencia.

Debido a este problema de eficiencia nos pusimos a pensar en un diseño mezclando el concepto que mostramos anteriormente, de hacer una estructura de papel, para que sea muy liviano, y de esa idea, sacamos el siguiente diseño:

Diseño 3

El cual es muy liviano, muy económico ya que es hecho de papel de desechos, autosustentable, resistente, fácil de manufacturar, y haciendo bien el sistema de la hélice, puede ser muy eficiente, en la relación potencia peso.

Por lo tanto en las próximas entregas vamos a probar los diseños, y vamos a ver bien cual escogemos.

Selección de conceptos

Selección de conceptos:

Lo primero que haremos será dar diferentes tipos de materiales, con sus propiedades y defectos, para luego poder elegir los mejores para nuestro proyecto.

El primer requisito de nuestro proyecto es que sea liviano por lo tanto los materiales que propondremos serán:

- Plástico, ( resistente, pero no muy barato)

- madera de balsa (resistente, liviano y ecológico)

- Papel: una idea que nos llama mucho es la de usar papel de guías y materiales que nos sobran, haciendo rollitos de papel que son muy resistentes y livianos, y así usar material de descarte, bajando mucho el precio del producto.

- cartón piedra (resistente, pero mas caro y liviano que el papel)

- cajas de huevo: resistente, y también es de descarte.

- aluminio: muy resistente, liviano, pero es caro y no es descarte.

- Latas de bebidas: liviano, barato y de descarte. (para la hélice).

Luego debemos definir el tipo de hélice que utilizaremos para esto privilegiaremos aquella que abarque la mayor cantidad de área posible, para agarrar la mayor cantidad de aire, pero siempre teniendo en cuenta que la estructura resista el peso de la hélice.

Los tipos de hélice que hemos analizado son los siguientes

Analizando estos tipos de hélices, decidimos que nos gustaría trabajar, por un tema de área, pesos, costos, con los siguientes tipos de hélices.

-Triple aspa: ya que puede ser liviana, y puede abarcar harta área.

-Multi aspa: ya que esta agarrara mucho viento, pero le juega en contra que pude ser muy pesada.

- Savonius curvo: esta nos puede ser muy útil para una opción que tenemos para el proyecto que mostraremos mas adelante, ya que pude agarrar harto viento, en dirección que no sea normal.

- V-vawt: esta también nos puede servir para agarra viento en dirección que no sea normal.

- Concentrador: esta nos ayudaría mucho a aprovechar la mayor cantidad de viento.

Tipos de sistemas eólicos que hemos pensado para empezar a definir nuestro proyecto:

La primera idea que se nos vino a la mente es hacer varios rollos de papel de guias, pruebas y varios elementos que ya no utilizamos, cosa que la estructura pese muy poco y sea de descarte. Para esto pensamos es hacer un reticulado con rollos de papel como muestra la siguiente imagen.

Esto es aunque no parezca, muy resistente, y podemos verlo en la siguiente imagen.

Lo difícil de este sistema, es como afirmar la estructura al soporte, ya que es donde se concentrara todo el peso, y también será difícil agregarle el rotor. Esta base de papel seria buena con hélice de 3 aspas, ya que es más liviana.

Otra estructura que también se nos ocurrió, es la siguiente:

Estas son dependiendo la cantidad de hélices.

Esta rota con la hélice y hace girar la barra la cual hace girar una especie de junta de cardan, la que transformara el giro en potencia.

Para esto hemos considerado el diseño con varios tipos de hélices que se verán a continuación.

Esta hélice de 3 aspas tiene varias ventajas, ya que es liviana, y es la más usada.

Esta hélice, aprovecharía más el viento que la otra, pero es más pesada.

Esta lo mismo que la anterior, pero seria muy pesada.

Algunas imágenes trabajando en equipo:

Desarrollo del Concepto

I Necesidades del cliente:

Prioridades del dispositivo:

1. Vital: Producir potencia máxima con el menor peso posible producto del giro de las aspas receptoras (demostrar esto con el encendido del LED).

2. Secundaria: Receptor de viento sea capaz de recibir la corriente de aire y además mantenerse sin generar variaciones en la estructura.

3. Terciarias: Estructura auto sustentable y resistente a la corriente de aire, que se pueda montar en el dispositivo descrito según especificaciones del proyecto.

Prioridades del diseño:

1. Vital: Diseño innovador y creativo que genere la mayor cantidad de energía con el menor peso posible del dispositivo. Menos peso implica menos costo cualquiera sea la escala.

2. Secundaria: Predecir dónde y cómo será la fractura del dispositivo en caso de fuerza sobredimensionada.

3. Terciaria: Usar materiales de descartes (conciencia ambiental).


II Especificaciones de la meta:

Nuestra meta es diseñar un dispositivo que aproveche al máximo el viento generado por un ventilador convencional para generar potencia. Por esto, la medida de este dispositivo estará en función de h y L. (ver figura 1).



Para generar nuestra matriz de métrica, lo hicimos según las necesidades del cliente. Para esto consideramos:

- Liviano (bajo peso): dado que nuestro generador es para zonas con problemas a acceso de electricidad, necesitamos que sea liviano para poder transportarlo de manera simple.

- Estructura auto sostenible: Tenemos que asegurar que el dispositivo va a funcionar de manera correcta para no tener problemas con nuestros clientes. Además con esto aseguramos no tener accidentes producto de algún mal funcionamiento.

- Generar alta potencia: queremos que este dispositivo sea capaz de generar alta potencia con respecto a su peso, para así poder competir en el mercado y ser capaces de satisfacer las necesidades de la familia. También tenemos que considerar el largo de las aspas, área de éstas y la cantidad a realizar.

- Alta eficiencia: Dado que en ciertos lugares puede que no haya suficiente viento, o que el viento no sea constante durante el día, necesitamos que el generador sea lo suficientemente eficiente para que así aseguremos que frente a bajas intensidades de viento los clientes tengan electricidad.

- Diseño innovador: tenemos que ser capaces de adecuarnos al ambiente en el que nos encontramos para que así el generador no empeore la visión y sea agradable para la gente que habita el lugar.

- Manufacturable: Que tenga una manufacturación accesible sin una alta tecnología, para que así la construcción del dispositivo se factible de hacer cerca del lugar y se pueda trasladar a un bajo costo. Es por esto mismo que tenemos que encontrar materiales de descarte que tengan una alta resistencia

- Bajo costo: Como nuestro proyecto está pensado para gente con problemas de acceso a la electricidad, y por lo tanto de bajos recursos (o sino tendría su propio generador eléctrico), necesitamos que el generador sea accesible para esas familias.

- Que no contamine: Tenemos que ser capaces de cautivar a los clientes mediante la baja contaminación del producto, para que así sea aceptado en el lugar de manera fácil y para que también seamos capaces de venderlo fácilmente.

- Fácil mantención: Dado que frente al ambiente en que se encuentre va a sufrir ciertas diferencias con respecto al comportamiento teórico, el generador va a tener que ser mantenido con regularidad, y para esto tiene que ser fácil de mantener para que se pueda vender y los clientes se vean favorecidos con el producto escogido.

Ahora definiremos las métricas según las necesidades del cliente.
• Peso en kilogramos
• Área aspas en metros cuadrados
• Largo en metros
• Resistencia de los materiales en MPa
• Potencia en Watts
• La eficiencia y el número de aspas no tienen unidades


A continuación se presenta una tabla con las necesidades de los clientes y las métricas correspondientes para poder cumplir con nuestras metas y no desviarnos de nuestro objetivo a la hora de desarrollar el concepto.

Podemos ver en la tabla las diferentes necesidades que el producto será capaz de satisfacer, con sus respectivas métricas, por ejemplo, una necesidad es que sea liviano, que sea resistente, que sea de material de desechos, auto sostenible.

También podemos ver que de la tabla se desprende la relación potencia generada versus peso. Tratando de maximizarse esta función ya que se busca generar la mayor cantidad de potencia, con el dispositivo de menor masa.

Misión del Proyecto

La misión que tenemos como grupo será crear un dispositivo que desarrolle la mayor razón de potencia - peso a partir de energía eólica entregada por un ventilador convencional.

Este dispositivo está pensado para uso particular, de manera que que a través de una fuente renovable obtengamos energía. Buscaremos maximizar la razón potencia - peso, y logicamente lograr una máxima eficiencia ultilizando el viento generado por un ventidalor convencional.

El dispositivo y el proceso de desarrollo del mismo cumplirá con lo siguiente:

Predicción: Debemos indicar cual será el punto en que se fracture debido a un exceso de fuerza al cual será someteido.

Requisitos:
- Costo máximo de $10.000 pesos.
- Desarrollo en un plazo máximo de un semestre (supuestamente hasta el 9 de Junio).
- Tendrá limitaciones físicas por definir, ya sea la ubicación del ventidalor y el soporte que tendrá éste.

Mercado Primario: La idea es lograr crear un aparato eólico capaz de generar energía, a baja escala, la cual se pueda perfeccionar y agrandar en un futuro, con el objetivo de generar mayor cantidad de energía. Así podriamos vender el producto a empresas generadoras de energía, para abastecer pueblos o ciudades.

Mercado Secundario: Estos generadores de energía también podrían ser utilizados en zonas donde llega menos energía, tales como casas aisladas, en donde se podrían usar para generar algo de electricidad o trabajo mecánico.

Grupo de Interés: Los grupos de interés sería, como ya fue descrito, la gente que vive aislada y que le es complicado obtener energía de las redes principales, u empresas que suministren energía a este tipo de gente.