Instituto Politcnico Nacional
ESIA Ticomn. Ciencias de la Tierra.
Flujo de Fluidos
Maestro: Jimnez Chong Gumesindo Alejo
Alumnos: Rodrguez Candelas Ricardo
Grupo: 3PM2
Prctica 2
Fecha: Mircoles, 21 de enero de 2015
Contenido
Introduccin.1Marco terico.1Objetivos4Delimitacin del tema.5Materiales5Herramientas6Desarrollo7Resultados8Anlisis e interpretacin de resultados9Conclusiones9
Introduccin
Nuestro proyecto est fundamentado en varios principios fsicos que comentaremos a lo largo de este proyecto.
Dentro de este proyecto explicaremos los principios fundamentales de la energa y la relacin que tiene el viento con dichos principios.
Tambin se mencionan otros tipos de energas renovables que cabe hacer mencin dentro de este proyecto puesto que la energa elica tiene relacin directa con la energa solar.Estudiamos de manera significativa los procesos de conversin de la energa, los principios de funcionamiento de una mquina en cuanto a la conversin de energa, el funcionamiento de un motor elctrico, los tipos de energa, principios de electrnica, por qu y cmo se puede aprovechar la energa del viento.
Explicaremos el funcionamiento de un motor que es alimentado por energa elctrica el cual la transforma en energa mecnica apreciable, y viceversa, un motor que es alimentado por energa mecnica y es capaz de transformarla en energa elctrica.Construimos un generador elico, a base de piezas de segundo uso.
Entre algunas complicaciones que tuvimos que resolver estuvo realizar un diseo en el cual las fuerzas de rozamiento fueran muy bajas, puesto que ah se desperdiciara gran parte de la energa.
A lo largo de la construccin del proyecto tuvimos varias experiencias y tuvimos que investigar a fondo varias leyes y principios de la fsica y de la electrnica para llegar a nuestro objetivo. Buscamos diferentes formas de trabajar, as como diferentes maneras de hacer pruebas al proyecto, a fin de obtener el resultado esperado.
Tambin cabe mencionar el aspecto de estudio del clima de la zona, corrientes de aire, as como las velocidades promedio del viento en la zona para ponderar la viabilidad del proyecto.
Marco terico.
El viento (como energa)
La energa elica es la energa producida por el viento. La tierra recibe gran cantidad de energa solar, un porcentaje de entre el 1% y el 2% se convierten energa elica. El viento es aire en movimiento, adquiere ese movimiento gracias a la diferencia de temperaturas existentes en la superficie de la Tierra. Los desequilibrios de temperatura generan variaciones de presin, el aire se mueve de las zonas de alta presin a las de baja presin, as se generan las corrientes de aire. El contenido energtico del viento es lo que nos interesa, el cual depende de la densidad del aire y de su velocidad. Como en cualquier gas, la densidad vara con la temperatura y la presin, y sta a su vez con la altura sobre el nivel del mar. Un aerogenerador debe ser capaz de convertir la energa elica en energa elctrica. El proceso de la conversin de la energa es un principio fsico, donde la estructura de la mquina depende de la funcin a desempear.
Principios fundamentales de la energa
La energa es una magnitud abstracta que est ligada al estado dinmico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. Se trata de una abstraccin que se le asigna al estado de un sistema fsico. Debido a diversas propiedades (composicin qumica, masa, temperatura, etc.), todos los cuerpos poseen energa.
La energa mecnica, es la combinacin de la energa cintica (se genera a partir del movimiento) y la energa potencial (vinculada a la posicin de un cuerpo dentro de un campo de fuerzas).
La energa tambin puede clasificarse segn su fuente. Se llama energa no renovable a aquella que podemos cuantificar como finita o limitada, como la procedente de la combustin o degradacin por intercambio catdico de algunos metales. En cambio, la energa renovable es virtualmente infinita, ilimitada, ejemplos claros de esta son la energa elica, solar, trmica, hidrulica, etc. Siendo proporcionadas nicamente por la accin de fuerzas constantes.
Tecnologas asociadas con energas renovables
Energa hidrulica: Se deja caer agua y se aprovecha la energa potencial obtenida. Se utiliza para generar energa elctrica y para mover molinos de harina.
Energa elica: Producida por los vientos generados en la atmsfera terrestre. Se utiliza para generar energa elctrica, como mecanismo de extraccin de aguas subterrneas o de ciertos tipos de molinos para la agricultura. Es un tipo de energa cintica.
Energa mareomotriz: Producto del movimiento de las mareas y las olas del mar, es un tipo de energa cintica.
Conservacin de la energa mecnica
La energa mecnica se define como la forma de energa que se puede transformar en trabajo mecnico de modo directo mediante un dispositivo mecnico como una turbina ideal. Las formas familiares de energa mecnica son la cintica y la potencial.
Para sistemas abiertos formados por partculas que interactan mediante fuerzas puramente mecnicas o campos conservativos la energa se mantiene constante con el tiempo:
Donde:
, es la energa cintica del sistema, es la energa potencial gravitacional del sistema., es la energa potencial elstica del sistema.
Es importante notar que la energa mecnica as definida permanece constante si nicamente actan fuerzas conservativas sobre las partculas.
Energa elica y elctrica
Las mquinas elctricas son elementos convertidores de la energa, una turbina elica es una mquina que utiliza la fuerza del viento para hacer girar un rotor; por lo tanto, las aspas convierten la energa cintica del viento en energa mecnica y en el caso del aerogenerador se aprovecha esa energa para hacer girar el motor y as producir energa elctrica.
Principios del funcionamiento de un motor elctrico
Los motores de corriente continua son dispositivos que transforman la energa elctrica en energa mecnica; al hacer pasar corriente a travs del motor se generan un par de fuerzas debido a la accin del campo magntico y como resultado el rotor gira. Un motor elctrico tambin funciona como generador; para entender por qu genera electricidad podemos pensar en que cuando le ponemos electricidad al motor la bobina gira, entonces si el proceso se realiza en sentido inverso, es decir si el motor gira, entonces produce electricidad. Estamos transformando la energa mecnica en energa elctrica.
El motor mantiene una estrecha relacin entre electricidad y magnetismo, que se conoce con el nombre de electromagnetismo; al fenmeno que consiste en generar campos elctricos a partir de campos magnticos variables se denomina induccin electromagntica, la fuerza del campo magntico determina la rapidez necesaria para generar electricidad, si el campo magntico es ms fuerte, se necesitan menos giros del rotor y si el campo magntico es ms dbil se necesitan ms giros en el rotor.
Cuando un alambre se coloca alrededor de un campo magntico y este ltimo se hace cambiar o mover, aparece una tensin llamada voltaje, que es una magnitud que cuantifica la diferencia de potencial elctrico entre dos puntos o visto de otra forma, el trabajo ejercido por el campo elctrico sobre una partcula para moverla entre dos posiciones determinadas; este voltaje trata de hacer que las cargas en el alambre giren en crculos. En otras palabras, los imanes en movimiento crean corrientes elctricas en los alambres, un imn en movimiento funciona como una bomba de agua, si el circuito no est cerrado entonces la fuerza de bombeo no producir un flujo de corriente, pero si el circuito est completo o cerrado, entonces la accin de bombeo del imn puede forzar a los electrones en el alambre a circular.
Esta es una ley bsica de la fsica y es usada por todos los generadores elctricos con alambres e imanes. Cuando el circuito se cierra y el imn est en movimiento, las cargas en el metal fluyen y entonces las cargas en el filamento del foco son empujadas, producindose una especie de friccin elctrica, lo que hace que el filamento se caliente y brille.
Objetivos
General.
Construir un dispositivo capaz de aprovechar la energa producida por el viento, y transformarla en energa elctrica apreciable.
Especficos.
Apreciar los principios fsicos mediante los cuales se lleva a cabo la transformacin de energa.
Aplicar un modelo de energa sustentable con fines tiles.
Definir de manera adecuada la configuracin del sistema con el fin de que esta sea til y funcional.
Delimitacin del tema.
Es conveniente pensar en la energa como en la herramienta con la cual podemos realizar un trabajo pero es an ms conveniente verla como el medio por el cual podemos realizar dicho trabajo, nuestra necesidad por controlar cualquier tipo de energa de una manera cmoda nos ha hecho dejar de pensar en el impacto que tiene esta sobre el medio ambiente, es necesario buscar fuentes de energa alternas las cuales no contaminen, podemos observar en la naturaleza ejemplos de estos tipos de energas, el movimiento generado por el aire o el agua, la energa que proviene del sol, etc.De aqu nace la idea de nuestro proyecto, pensando en que es un reto para la ciencia y la tecnologa, el desarrollar los elementos que faciliten al ser humano el uso de fuentes de energa renovable; aqu lo hicimos a pequea escala y estudiamos la relacin que hay entre la energa elica y los usos que le podemos dar.
Materiales
Estructura-base:
Cubo de 63 cm de altura x 40 cm de ancho x 56 cm de largo 4 Barras de acero hueco rectangular de 20 cm de longitud x 6.5 cm de ancho x 3 cm de grosor. Estructura tipo pirmide de 45 cm altura Placa de acero de 10 cm x 10 cm. Parte inferior de una silla giratoria
Hlice, 2da base y veleta:
Hoja de triplay de 2 cm de grosor. Hoja de aglomerado de 1 cm de grosor. Hoja de aglomerado de 0.5cm de grosor. Pegamento profesional para madera. Clavos de acero de 11/2. Tornillos de diferentes medidas. 4 tornillos de cabeza hexagonal de 3 x 3/8. 16 rondanas de 3/8. 8 tuercas de 9/16. Plastiacero. Bastn de madera de 1 de ancho x 30 cm de largo.
Parte electrnica:
Un motor elctrico de 12 volts (de CC) Cable negro y rojo. Una lmpara de leds de 6 volts. Un foco de un led para hacer pruebas
Herramientas
Taladro de banco. Taladro de mano. Brocas de diferente tamao. Martillo. Mazo. Perico. Desarmadores. Limas. Llaves Allen. Llave inglesa. Pinzas de presin. Segueta. Lubricadora. Cepillo. Sierra de disco. Multmetro. Cautn. Navaja. Cables.
Desarrollo
Primero hicimos el diseo de las hlices, despus las fabricamos, con las caractersticas siguientes: 28 de largo x 6.5 de conicidad mayor x 3 de conicidad menor x 12 de altura en las hojas de aglomerado, luego las cortamos con la sierra caladora.
Trazamos y cortamos con la tabla de aglomerado de 0.5 cm. Esta va a hacer nuestra veleta que nos gua conforme la direccin del viento.
Despus, trazamos 3 crculos en la hoja de triplay, con 26 cm de ancho, los cortamos y los unimos con pegamento, los pusimos a secar 24 horas apretndolos y los emparejamos con el cepillo.
El crculo va a ser la base para la unin de las aspas de la hlice. Cortamos 3 rectngulos de la hoja de triplay a modo de que al unirlos quede una tabla de 35.5 cm x 8.2 cm x 6 cm.
Con un taladro y una broca de 1, en una cara de nuestra tabla hicimos un orificio en el centro del rectngulo. A la misma tabla pero del lado contrario del orificio hicimos una cua de 0.5 cm de ancho x 35.5cm de largo x 2 cm de profundidad.
Ya teniendo las dos partes que conforman la gua, las unimos puesto que la cua esta diseada para que la veleta entre en la tabla a presin.
Hicimos 4 aberturas en el crculo con medidas de 8 cm x 1 cm x 5 cm a un ngulo de 20, en donde entran las aspas ya mencionadas anteriormente a presin, las unimos con clavos y pegamento.
A la estructura en forma de cubo le soldamos las cuatro barras de acero hueco rectangular para que tenga ms altura en la parte de abajo. Tambin le soldamos en la parte de arriba la estructura en forma de pirmide a modo de que se acople a nuestro cubo. Despus le soldamos la parte inferior de una silla giratoria, en este caso el asiento de la silla seria el soporte de la base. Luego cortamos 3 rectngulos de la hoja de triplay a modo de que al unirlos quede una tabla de 80 cm de longitud x 35 cm de ancho x 6 cm de grosor e hicimos el mismo procedimiento del paso tres. A esto le instalamos dos chumaceras con tornillos hexagonales de 10 cm de largo x 3/8 de ancho, de forma que las chumaceras sirvan como soporte a la flecha de cold rolled de 1. Al extremo opuesto de la tabla la aadimos el bastn de madera de 1 que va pegado a presin, que es lo que nos va a dar la gua del viento.
A un extremo de la flecha de cold rolled le agregamos el centro con las hlices para que giren juntos sobre las chumaceras; al otro extremo de la flecha le agregamos el generador elctrico. De esta manera el rotor gira junto con la flecha.
Finalmente, se uni la base de madera junto con la estructura de la silla giratoria con tornillos y tuercas hexagonales de 3 1/2 para que se sostenga el asiento y la tabla.
Ensamble de la parte elctrica
Utilizamos las siguientes herramientas: taladro, multmetro para medir el voltaje; cautn para soldadura, pinzas de corte, un motor de CC, una lmpara de leds y cables.
1. Soldamos los cables que conectan al generador con la lmpara; para lo cual, utilizamos pasta de soldadura y el cautn tipo lpiz. Despus soldamos los cables a las terminales del generador.
2. Finalmente, realizamos una prueba para medir qu voltaje proporcion el generador. En la medicin que obtuvimos observamos que a una velocidad de viento constante, sin ser demasiado intensa, gener de 7 a 9 v de corriente continua.
Resultados
Despus de terminar la construccin y de realizar las pruebas necesarias, obtuvimos los siguientes resultados: el generador s es capaz de girar con la fuerza del viento. Tambin la veleta cumple su funcin dirigiendo el generador con la direccin del viento. Las piezas que utilizamos para que el dispositivo tenga movilidad en la base giratoria y en la hlice, como las chumaceras y la silla giratoria, tambin funcionaron como lo tenamos planeado, y oponen una resistencia mnima. Como resultado, la hlice es capaz de girar el rotor del generador y prender una lmpara de leds.
Anlisis e interpretacin de resultados
Luego de haber obtenido los resultados, definimos diferentes variables: para que un aerogenerador sea completamente funcional, se necesita tener el diseo correcto en donde se integren las caractersticas necesarias de cada parte; por ejemplo, existen diferentes tipos de motores, y su construccin determina el torque y la cantidad de vueltas que se deben ejercer en el rotor para que generemos cierto voltaje que nos permita prender la lmpara de leds. Las aspas tambin deben tener un diseo que permita aprovechar la fuerza del viento para que pueda girar el rotor del motor; es decir, el diseo del aerogenerador depende totalmente de las condiciones donde se instalar y el uso que se le dar. Se debe realizar un anlisis de la relacin costo-beneficio, ya que en la actualidad es deseable el desarrollo de tecnologa con un mnimo de impacto sobre el medio ambiente. Esto ser determinante bajo el estado actual de las cosas. Si bien es importante la inversin inicial que este tipo de sistemas implica, debemos sealar que el impacto que genera el costo del equipo se subsana con el ahorro que implica una reduccin en el consumo desde la red de suministro elctrico convencional.
Conclusiones
Al concluir nuestro proyecto y nuestra investigacin, nos qued claro que la energa elica es una de las alternativas ms factibles para generar electricidad de una manera amigable con el medio ambiente, ya que se utiliza como fuente de energa la fuerza del viento, un recurso inagotable. Nosotros fabricamos el aerogenerador de manera casera, utilizando materiales de fcil acceso y a una escala mediana. Si de esta forma logramos generar electricidad, es claro que a una mayor escala, con mayor tecnologa y mejores materiales y diseo, se puede lograr sustituir fuentes de energa que contaminan el ambiente. Entendimos significativamente los principios en los que hay que pensar, cuando se trata de innovar en materia de energa.En el contexto de la celebracin del Ao Internacional de la Energa Sustentable para Todos, este proyecto nos permite darnos cuenta de la importancia del tema y de la generacin de una cultura cientfica bsica y del uso prctico del conocimiento.
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