Pruebas de generación de energía eléctrica

Con la finalidad de poner a prueba la hipótesis de que por medio del uso de un dínamo acoplado a las ruedas de un carrito de supermercado se puede generar energía eléctrica, se adquirió un dinamo para bicicleta marca Sanyo, el cual se muestra en la figura 4.1.

Figura 4.1 Dínamo para bicicleta implementado.

Estos generadores (que son erróneamente llamados dínamos, ya que generan una corriente alterna) son comúnmente empleados en bicicletas para producir energía eléctrica que se emplea para encender bombillas montadas en el manubrio de estas y de esa forma iluminar el camino del ciclista. La razón por la cual se decidió emplear este tipo de generador, es por qué son fáciles de adquirir y de montar en alguna estructura. Aparte de que son capaces de generar 12V – 6W, siempre y cuando se emplee en una bicicleta. Debido a que este tipo de generadores están diseñados específicamente para funcionar con bicicletas, se decidió emplear una estructura en la cual el dínamo de bicicleta se acoplara a la rueda de un carrito de supermercado. Esto con la finalidad de recrear el desplazamiento que produce el usuario al usar estos carritos y de esa forma saber cuánta energía es capaz de generar el dínamo.

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Con ese objetivo, se procedió a armar una estructura similar a la que se puede apreciar en la figura 4.2. En dicha figura se muestra un diagrama de la estructura que se implementó para poner a prueba el desempeño del dínamo. En ella podemos ver como el dinamo se encuentra acoplado a una rueda de carrito de supermercado, la cual tiene un diámetro de aproximadamente 12cm.

Figura 4.2 Estructura empleada para poner a prueba el dínamo.

Para saber cuánta energía generaría el dinamo, se utilizó como equipo de medición el osciloscopio TDS2022B de la marca Tektronix (figura 4.3).

Figura 4.3 Osciloscopio TDS2022B de la marca Tektronix.

Las pruebas que se realizaron simplemente consistían en desplazar la estructura que se muestra en la figura 4.2, a una velocidad constante, mientras que se realizaba la medición de la energía eléctrica generada por el dínamo, mediante el uso del osciloscopio. La velocidad a la que se

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desplazó la estructura donde se encontraba montado el dinamo fue de aproximadamente entre 4 y 6 km/h, siendo esta la velocidad promedio a la que una persona común y corriente camina. Todo esto se hizo con el objetivo de simular las condiciones a las que un carrito de supermercado es sometido normalmente, ya que no se contaba con uno de estos para acoplarle el dínamo, además de que sería muy estorboso emplear uno de estos carritos en el laboratorio (por cuestiones de espacio y transporte).

Como resultado de estas pruebas, se obtuvieron las siguientes mediciones, las cuales serán descritas a continuación.

Figura 4.4 Medición de desempeño del dínamo, 1.

Una de las primeras mediciones que se realizaron fue la que se puede apreciar en la figura 4.4. En ella se puede observar la forma de onda que produjo el dínamo al desplazar la estructura a una velocidad un poco superior a los 6 km/h. Esto se realizó con el simple objetivo de ver que señal se generaba. Como se puede ver en la figura 4.4, la señal que se generó tiene una forma oscilatoria, casi senoidal, demostrando que este generador en realidad es un alternador y no un dínamo, como coloquialmente es llamado. También podemos ver como la señal va incrementado y disminuyendo su amplitud, conforme transcurre el tiempo, esto debido a que también hay un aumento y reducción en la velocidad de desplazamiento de la estructura, en relación al tiempo transcurrido durante la medición. Otro de los datos que se lograron obtener a partir de esta primera medición, fue la del voltaje de pico máximo. La cual resulto ser de aproximadamente 6.8 V. Cabe mencionar que la duración de las señal capturada fue de aproximadamente 380ms, esto se debió a que solamente se desplazo la estructura a través de una distancia de unos 0.7m aproximadamente.

Gracias a esta primera medición, se pudo tener un panorama de la forma de onda que producía el generador. Sin embargo, si se toma en cuenta que la velocidad aplicada fue superior a la velocidad promedio con la que camina una persona (más de 6 km/h), la energía eléctrica obtenida fue muy poca (6.8V) comparada con la que se necesita para poder hacer funcionar el prototipo, por lo menos de la manera en que se había planteado inicialmente. A pesar de eso, se siguieron realizando pruebas a distintas velocidades de desplazamiento con la finalidad de observar el desempeño del dínamo a diferentes velocidades.

La siguiente medición que se realizó fue la que se muestra en la figura 4.5. En esta ocasión la velocidad de desplazamiento que se aplicó a la estructura fue menor a los 4 km/h, esto con el objetivo de simular el peor caso de desplazamiento, tomando como mejor caso la medición

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mostrada en la figura 4.4. De esta forma se cubrirían el mejor y peor caso, esto en relación a la velocidad de desplazamiento de la estructura.

De la segunda medición se pueden observar algunas cosas interesantes. La primera de ellas es la frecuencia que tiene la señal producida por el generador. Dicha señal tiene una frecuencia de aproximadamente 55.5 Hz. La segunda y más importante es el voltaje de pico máximo obtenido, el cual es de aproximadamente 4.8V, lo cual es muy poco.

En conclusión, de la observación de los datos obtenidos en la primera y segunda medición se puede concluir que la cantidad de energía que puede producir el generador depende de la velocidad con la que la estructura sea desplazada, ó en otras palabras, depende de la velocidad con la que se haga girar el rotor del generador.

Figura 4.5 Medición de desempeño del dínamo, 2.

En la figura 4.6, se muestra una tercera medición, en la cual se observan las señales producidas por el generador al desplazarse a una velocidad de aproximadamente 5 km/h, esto con la finalidad de tener registrado un caso intermedio, en relación a la velocidad de desplazamiento de la estructura implementada. Cabe mencionar que en la figura 4.6 se observan 3 secuencias de pulsos, debido a que se realizaron más desplazamientos de la estructura, durante el proceso de medición.

De la tercera medición realizada, el principal dato que se obtuvo fue el de la cantidad de energía eléctrica generada por el dinamo a una velocidad de aproximadamente 5 km/h. De modo que el voltaje de pico máximo obtenido fue de aproximadamente 5.8V.

Después de que se realizaron todas las mediciones de desempeño del dínamo, se llego a la conclusión de que la energía eléctrica generada por el generador bajo las condiciones anteriormente planteadas, es muy poca para poder ser almacenada y después implementada por el sistema embebido. Lo anterior debido a que para que el sistema embebido funcione de manera adecuada, es necesario contar con una medio que almacene una cantidad 8Vdc aproximadamente y para poder almacenar dicha energía en algún dispositivo eléctrico es necesario un voltaje mayor al que se desea almacenar.

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Figura 4.6 Medición de desempeño del dínamo, 3.

Con la finalidad de poder generar más energía eléctrica mediante el uso de este generador, se planteo la posibilidad de emplear un sistema de engranajes que amplificara la velocidad con la que el rotor del dínamo giraría. Pero dicha propuesta no se implemento, debido a que no se contaban con los conocimientos necesarios para diseñar y maquinar un sistema de engranajes. Debido a que aparentemente el generador empleado en estas pruebas no era capaz de general la cantidad de energía eléctrica que era necesaria, se desecho la idea de implementarlo dentro del prototipo. Al mismo tiempo, se llego a la conclusión de que no sería tan sencillo generar la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del prototipo, en base a la energía cinética producida por el desplazamiento del carrito de supermercado. Para lograr esto, se tendría que diseñar un generador eléctrico que sea capaz de generar un voltaje de pico máximo mucho mayor al que se obtuvo con el dínamo de bicicleta, bajo las mismas condiciones empleadas en las pruebas anteriormente realizadas.

Debido a que el diseño e implementación de un generador no es algo tan sencillo y conlleva un periodo de desarrollo algo prolongado (comparado con la cantidad de tiempo disponible), se decidió que el prototipo que se implementaría en este proyecto no incluiría la característica de regeneración de energía. Sin embargo se decidió emplear un método para poder almacenar cierta cantidad de energía eléctrica, en base a una fuente de voltaje DC que fungiera como fuente primaria de energía. Esto con el objetivo de que en un trabajo posterior, se pueda emplear un mejor generador de energía eléctrica (el cual cumpla con los requerimientos anteriormente planteados), en conjunto con un puente de diodos rectificadores, para de esa forma tener una fuente de voltaje DC.

Con este replanteamiento de las especificaciones que tendría el prototipo, el trabajo realizado en el área de la electrónica de potencia, correspondiente a este proyecto, se enfoco a la selección e implementación de un método para almacenar cierta cantidad de energía eléctrica, para que después fuese esta energía empleada por el sistema embebido.