Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica Proyecto de Grado
Evaluación de un modelo de energía para un vehículo de tracción humana
Investigador:
Johana Paola Forero Urrego (200910195)
Asesor:
Luis Mario Mateus, MSc
Bogotá D.C Enero – 2015
Agradezco al profesor Luis Mario Mateus por su paciencia e interés en este proyecto. A mi mamá, mi papá y mi hermano por creer en mi y estar siempre presentes. Y a todas las personas que me han dado la oportunidad de aprender y compartir algo nuevo junto a ellas.
Tabla de Contenidos
Nomenclatura ... 4
Lista de Tablas ... 5
Lista de Figuras ... 7
1 Introducción ... 9
2 Alcance del Proyecto – Metodología ... 11
3 Modelo Teórico de consumo de potencia de una bicicleta ... 12
4 Resultados del Modelo Teórico de una bicicleta ... 15
5 Selección de Modelos de Energía ... 20
5.1
Energía: ... 21
Fuentes Renovables: ... 22
5.2
Ideas en el mercado: ... 31
5.3
Selección de Modelos de Energía: ... 36
6 Presentación Modelos de Energía ... 38
6.1
Modelo Teórico Generación Eólica ... 41
6.1.1
Resultados Modelo Teórico Generación Eólica ... 44
6.2
Modelo Generación Solar Fotovoltaica ... 49
6.2.1
Resultados Modelo Generación Solar Fotovoltaica ... 50
6.3
Modelo Volante de Inercia ... 54
6.3.1
Resultados Modelo Volante de Inercia ... 60
6.4
Generador Electromagnético ... 64
6.4.1
Resultados Generador Eléctromagnético ... 65
6.5
Modelo Magnetostático ... 68
6.5.1
Construcción de modelo experimental. ... 70
Prueba 1: ... 72
Prueba 2: ... 73
7 Comparación de Modelos Propuestos ... 75
8 Conclusiones y Recomendaciones ... 77
9 Bibliografía ... 79
Nomenclatura
A Área frontal del vth Ar Área del rotor eólico
As Área del panel solar fotovoltaico CD Coeficiente de arrastre aerodinámico CP Coeficiente de Betz (16/27)
CDA Área de arrastre del vth
CRR Coeficiente de resistencia a la rodadura
EC Eficiencia de transmisión de potencia por cadena
F Fuerza requerida para mantener el sistema en equilibrio FD Fuerza de resistencia al arrastre aerodinámico
FD x,y Componente de la fuerza de la resistencia aerodinámica en el eje y o z FRR Fuerza de resistencia a la rodadura
g Aceleración de la gravedad H Irradiación Solar
I Momento de inercia rotacional Mb Masa de la bicicleta
Mc Masa del ciclista Ms Masa total del sistema N Fuerza normal
Pextra Potencia extra requerida por el modelo propuesto
Pgan Potencia neta ganada en la implementación del modelo propuesto Pgen Potencia generada por el dispositivo de generación de energía propuesto Pmod Potencia neta consumida por el modelo propuesto
Pnet Potencia neta consumida por el modelo base de la bicicleta Va Velocidad del aire
Vg Velocidad del ciclista Vw Velocidad del viento W Peso del sistema
Wy,z Componente del peso del sistema en el eje y o z
n* Variable n en el modelo propuesto. (ejemplo: W*: peso del sistema en el modelo propuesto)
β Ángulo entre la dirección de movimiento y la dirección del viento
ηT Rendimiento del generador eólico con respecto al ideal de Betz.
ηs Eficiencia del panel solar fotovoltaico
ρ Densidad del aire en Bogotá
Lista de Tablas
Tabla 4-1 Valores de las constantes a utilizar en el modelo teórico de la bicicleta. ... 16
Tabla 4-2. Rango de velocidades del ciclista a utilizar y velocidad angular que implica en rueda y pedal para una relación de transmisión de 2.7 ... 17
Tabla 5-1. Tipos de celdas solares. (Chen, 2011) ... 24
Tabla 5-2. Ejemplo de volantes de inercia y sus características. (Huggins, Energy Storage, 2010) ... 29
Tabla 5-3. Especificaciones de tres bicicletas eléctricas ... 32
Tabla 5-4. Algunas especificaciones del vehículo solar Nuna 7 ... 36
Tabla 5-5. Posibles modelos de energía adaptables a un vth ... 37
Tabla 5-6. Modelos de energía seleccionados para evaluar ... 38
Tabla 6-1. Potencia disponible para una competencia de vth. ... 39
Tabla 6-2. Valores de Vg y θ a utilizar en la evaluación de los modelos de energía ... 39
Tabla 6-3. Parámetros que determinan el consumo de potencia del vth. ... 40
Tabla 6-4. Especificaciones aerogenerador Rutland 504 (Marlec Renewable Power) . .. 43
Tabla 6-5. Especificaciones motor eléctrico para bicicleta (Golden Motor) ... 43
Tabla 6-6. Especificaciones batería iones de Litio. LiFePo4. (Smart Battery) ... 43
Tabla 6-7. Valores de las constantes presentes en el modelo de generación eólica. ... 45
Tabla 6-8. Resultados de potencia consumida, extra, generada y ganada para una velocidad de 20 km/h y dos tamaños de turbina eólica. ... 46
Tabla 6-9. Resultados de potencia consumida, extra, generada y ganada para una velocidad de 30 km/h y dos tamaños de turbina eólica. ... 46
Tabla 6-10 Resumen de características del modelo de generación eólica ... 48
Tabla 6-11. Especificaciones módulo solar fotovoltaico Solbian SP 100 (Solbian) ... 50
Tabla 6-12. Valores de las constantes presentes en el modelo de generación solar fotovoltaica. ... 51
Tabla 6-13. Resultados de potencia consumida y potencia extra para una velocidad de 20 km/h y dos tamaños para el modelo con el módulo solar PV y el modelo inicial. .... 51
Tabla 6-14. Resultados de potencia consumida y potencia extra para una velocidad de 30 km/h y dos tamaños para el modelo con el módulo solar PV y el modelo inicial ... 52
Tabla 6-15. Resultados de potencia generada y potencia ganada para 3 condiciones de irradiación solar y dos eficiencias de panel solar PV. ... 52
Tabla 6-16 Resumen de características del modelo de generación solar fotovoltaica .... 54
Tabla 6-17. Momento de inercia para un disco sólido y un disco hueco. ... 55
Tabla 6-18. Valores de las constantes presentes en el modelo del volante de inercia. .. 60
Tabla 6-19. Valores de las características del escenario en el que se evalúa el modelo del volante de inercia. ... 60
Tabla 6-20. Resumen de resultados obtenidos para V1= 20 km/h, dAB=25 m (arriba) y 50 m (abajo) y V3=20km/h. ... 61
Tabla 6-21. Resumen de resultados obtenidos para V1= 30 km/h, dAB=25 m (arriba) y 50 m (abajo) y V3=30km/h. ... 62
Tabla 6-22 Resumen de características del modelo del volante de inercia ... 63
Tabla 6-23. Resumen de características de generadores de baja potencia de proyectos de grado de la Universidad de Los Andes. ... 67
Tabla 6-24 Resumen de características del modelo del generador electromagnético ... 68
Tabla 6-25 Ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo (Furlani, 2001) ... 69
Tabla 7-1 Comparación de modelos propuestos funcionales ... 76
Lista de Figuras
Figura 1-1. Potencia humana disponible para el pedaleo (Gordon Wilson &
Papadopoulos, 2004) ... 10
Figura 3-1 Diagrama de cuerpo libre de una bicicleta ... 12
Figura 3-2. Ejemplo de vectores de velocidad del ciclista, del viento y del aire. ... 14
Figura 4-1 Potencia Neta y efecto de sus componentes para combinaciones de viento en contra, viento a favor y ángulo de inclinación del camino de 1˚ y 2˚. ... 17
Figura 4-2. Influencia de la dirección del viento, ángulo de inclinación y peso del sistema en términos de potencia extra requerida en la potencia neta para el intervalo de velocidades seleccionado. ... 18
Figura 4-3. Torque en la rueda en función de la potencia requerida para dos cadencias. ... 20
Figura 5-1 Esquema de la clasificación de la energía en energía primaria y secundaria. ... 22
Figura 5-2 Corte transversal de un diseño óptimo de un disco de volante de inercia. El eje de rotación se encuentra en el centro (Huggins, Energy Storage, 2010) ... 28
Figura 5-3 Mecanismos con resortes para almacenar energía. El carro de juguete, izquierda, almacena la energía cuando las ruedas del carro se tiran hacia atrás. El mecanismo de la derecha utiliza una manivela para enrollar el resorte. (Spring-powered toy car) ... 29
Figura 5-4 Esquema de un reloj de péndulo que usa la energía potencial de una masa para funcionar. (Francis C Moon, 2006) ... 30
Figura 5-5 Bicicletas eléctricas encontradas en el mercado. Flykly (arriba), Bionx (abajo). (FlyKly) (BionX Products) ... 32
Figura 5-6 Bicicleta con volante de inercia para almacenar energía. Sistema con transmisión continua. ... 33
Figura 5-7 Bicicleta con volante de inercia para almacenar energía. Sistema con embrague. ... 34
Figura 5-8 Almacenamiento de energía en un resorte para una bicicleta por WuLan. (Red dot award: Design Concept 2014) ... 34
Figura 5-9 Luces para bicicleta Magnic Lights. (Magnic Light iC - Intelligent Contactless Bicycle Dynamo) ... 35
Figura 5-10 Imagen del vehículo solar Nuna 7. ... 36
Figura 6-1 Ejemplos de paneles solares fotovoltaicos utilizados en vehículos. ... 49
Figura 6-2 Escenario en el que se evalúa el modelo del volante de inercia ... 56
Figura 6-3 Imágenes de generadores eléctricos de imanes permanentes de baja potencia de proyectos de grado de la Universidad de Los Andes. (Perez, 2011) (Tunarrosa, 2009) (Cuadros, 2011) (Callejas, 2013) ... 65
Figura 6-4 Imágenes de potencia eléctrica vs. Velocidad angular para 3 generadores eléctricos de imanes permanentes de baja potencia de proyectos de grado de la Universidad de Los Andes. (arriba izquierda)Perez, (arriba derecha) Callejas, (abajo) G8- G9 –G10 por Cuadros. (Perez, 2011) (Cuadros, 2011) (Callejas, 2013) ... 66
Figura 6-5 Esquema del modelo magnetostático propuesto ... 69
Figura 6-7 Imagen del plato de MDF con 32 agujeros en la periferia para los imanes. 71
Figura 6-8 Imagen del montaje inicial vista frontal. ... 72
Figura 6-9. Imagen del montaje inicial vista desde arriba. ... 72
Figura 6-10 Montaje experimental para determinar el torque límite soportado por los platos para diferente número de imanes. ... 74
Figura 6-11 . Gráfica de torque límite soportado por los platos en función de la cantidad de imanes en cada plato. ... 75
1
Introducción
El automóvil como vehículo con motor de combustión interna (CI) se cataloga como uno de los desarrollos tecnológicos más importantes de la época moderna. Su invención significó una transformación en las ciudades, el transporte y la forma de vida de las persona. La aparición de este dio lugar a rediseñar las ciudades para permitir su circulación. Este medio de transporte pronto se convirtió en una necesidad, más que un lujo, de la vida moderna permitiéndole a las personas recorrer distancias mas largas en tiempos mas cortos. Su cualidades versátiles de medio de transporte personal, rápido y adaptable a recorridos y tiempos del usuario hicieron rápidamente que este vehículo desplazara otro tipo de medios de transporte de la época.
Actualmente, la industria del automóvil es una de las industrias de mayor desarrollo tecnológico y económico en el mundo y funciona como motor de otras industrias en áreas relacionadas. El número de automóviles en el mundo hoy supera los 1015 billones, donde en China hay alrededor de 7 carros por persona y en Estados Unidos 2 por cada persona (Tencer, 2011). Esta cantidad excesiva representa un perjuicio para el planeta debido al impacto ambiental que el CO2, liberado por el motor de CI, tiene en el entorno, además de estar limitado a una fuente de energía no renovable y escasa, el petróleo. El automóvil no solo constituye un problema ambiental sino también de espacio, cada día las ciudades presentan una mayor densidad vehicular, que se traduce en problemas de tipo económico, social, cultural, entre otros.
Debido a los efectos nocivos del automóvil pero a su fuerte influencia e importancia en la industria y en la vida moderna existe un creciente interés en desarrollar nuevas soluciones que cumplan con la función de este medio de transporte y que a su vez disminuyan los daños ambientales y sociales que el automóvil con motor de CI ha suscitado.
Empresas y organizaciones en todo el mundo promueven el desarrollo y la innovación en esta área mediante eventos, exposiciones y competencias donde se fomentan soluciones amigables. Por ejemplo, en Australia y Estados Unidos se lleva a cabo el World Solar Challenge y el American Solar Challenge, respectivamente, en el que carros que funcionan únicamente con energía solar fotovoltaica compiten entre sí. Otro ejemplo, es la Formula E, su primera carrera se llevó a cabo en el segundo semestre de este año, esta competencia, similar a la de la Formula 1, utiliza vehículos enteramente eléctricos. También, la ASME, Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos, cada año organiza el Human Powered Vehicle Challenge – HPVC en diferentes partes del mundo, esta competencia con vehículos de tracción humana- vth, permite a los participantes enfrentarse a principios de diseño de ingeniería en el desarrollo de alternativas prácticas y sostenibles de transporte.
Los vehículos de tracción humana son aquellos que utilizan únicamente la energía del cuerpo humano para impulsarse, un ejemplo común es la bicicleta, esta por medio de pedales transmite la fuerza de los músculos de las piernas a un sistema de transmisión
que genera movimiento en las ruedas. En la gráfica en la Figura 1-1 se puede observar con detalle la disponibilidad de potencia humana para el pedaleo en términos de su duración, donde el estimado de la potencia máxima de salida de un humano con el mecanismo más óptimo se encuentra entre 1600 W y 550 W hasta para una hora de pedaleo. En la misma gráfica experimentos llevados a cabo por la NASA contrasta los estimados anteriores con un potencia disponible entre 1000 W a 400 W para atletas de alto rendimiento y entre 750 W a 200 W para personas saludables, dependiendo de la cantidad de tiempo de pedaleo. Con el fin de poder dimensionar los valores anteriores se sabe que la potencia consumida por un bombillo de luz incandescente esta entre 40W y 100W dependiendo del bombillo, la de un computador portátil es alrededor de 90W, mientras que la de un automóvil Porsche 911 Carrera esta cerca de 4.1 kW cuando viaja a una velocidad constante de 50 km/h (Automotive Power- A Case Study in Energy Relations).
Figura 1-1. Potencia humana disponible para el pedaleo (Gordon Wilson & Papadopoulos, 2004)
La Universidad de Los Andes ha participado por varios años consecutivos en diferentes competencias de vths incluyendo el HPVC organizado por la ASME. Esta sociedad en su competencia de vehículos de tracción humana recientemente incluyó una regla que fomenta el uso de dispositivos de almacenamiento de energía. La regla
especifica que la energía debe ser almacenada durante el movimiento del vehículo, la única fuente de energía debe ser de tipo humana y no se puede iniciar la competencia con energía almacenada, además, no se permiten motores de combustión o dispositivos que no sean acordes con el espíritu de la competencia (ASME, 2014).
En este proyecto de grado se estudiará la factibilidad de implementar un dispositivo de almacenamiento o generación de energía en un vth. Para ello primero será necesario comprobar que existe energía humana suficiente tanto para mover el sistema como para almacenar energía extra, la gráfica en la Figura 1-1 es una buena referencia de la potencia disponible humana para el pedaleo. Después se valorarán cinco modelos de almacenamiento o generación de energía adaptados a un vth para entender las posibilidades y las limitaciones que el uso de un componente de estos tendría en el desempeño del vth en una competencia de acuerdo a sus características.
2
Alcance del Proyecto – Metodología
Este proyecto busca encontrar un método de generación y/o almacenamiento de energía óptimo que se pueda adaptar a una bicicleta sin requerimiento de energía externa diferente a la humana. Para lograr lo anterior se plantea analizar diferentes métodos de almacenamiento y/o generación de energía adaptable a una bicicleta. El análisis realizado debe permitir entender el funcionamiento y las capacidades del modelo propuesto. En las instancias finales se compararán los modelos propuestos y se identificará aquel que presente mejores características frente a los otros.
La metodología planteada se muestra en el siguiente esquema:
5. Conclusiones y recomendaciones de acuerdo a los resultados. 4. Comparación de los resultados de los modelos de energía seleccionados.
3. Planteamiento y análisis de los 5 modelos de energía seleccionados. 2. Selección de 5 modelos de energía adaptables a un vth
3
Modelo Teórico de consumo de potencia de una bicicleta
El primer paso para plantear el modelo teórico de consumo de potencia de la bicicleta es realizar un análisis de fuerzas de la misma, en la Figura 3-1 se puede observar el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que actúan en dicho sistema. Es importante mencionar que los mismos principios aplican para cualquier vehículo de tracción humana- vth, ya que, la bicicleta es solo un caso específico de un vth.
Figura 3-1 Diagrama de cuerpo libre de una bicicleta
En el diagrama de cuerpo libre se observan 5 fuerzas: la fuerza normal entre el piso y la bicicleta N; la fuerza ejercida por el peso de la bicicleta W, la fuerza de fricción o fuerza de resistencia a la rodadura FRR, la fuerza de arrastre aerodinámico FD y finalmente la fuerza F necesaria para mantener la bicicleta en movimiento.
Considerando que la bicicleta se mueve en la dirección y positiva se distinguen 3 efectos que se oponen al movimiento de la bicicleta:
1. Arrastre aerodinámico entre el aire y la bicicleta.
2. Resistencia a la rodadura por fricción entre las ruedas y el piso. 3. Peso del sistema en la componente del movimiento.
En términos de fuerza FDy, FRR y Wy respectivamente.
Al plantear la sumatoria de fuerzas en la dirección del movimiento y dado que es de interés la potencia consumida por la bicicleta cuando esta se encuentra en movimiento a velocidad constante, no hay aceleración y la fuerza requerida en el punto de acción de la fuerza F es como se muestra en la Ecuación 3-1, donde se toma FRR como la fuerza de resistencia a la rodadura total del sistema.
α
Wz
Wy
FRR
FRR
N
N F
W
FD FD y
FD z
θ
x y
F!=0
F=F!!+F!"+W! Ecuación 3-1
La fuerza por la componente del peso Wy se obtiene considerando el seno del ángulo de inclinación de trayecto, si no hay inclinación (0˚) no habrá influencia de esta fuerza en la fuerza requerida para mover el sistema F. Dado que no se considerarán ángulos de inclinación muy grandes esta fuerza puede simplificarse a la Ecuación 3-2 para ángulos menores a 9˚ (Seno 9˚ =0.156, 9˚ =0.157 rad).
W!=Wsinθ
W!=Wθ
Ecuación 3-2
La fuerza por resistencia a la rodadura FRR se obtiene a partir de la normal total N y el coeficiente de resistencia a la rodadura 𝐶!! entre las llanta y el piso, la normal equivale a la componente del peso en la dirección z es decir WCos𝜃 . Debido a que el ángulo de inclinación no superará los 9˚ se pueden simplificar y obtener las expresiones de la fuerza de la resistencia a la rodadura como se observa en la Ecuación 3-3 ( Cos 9˚ = 0.988≈1).
N=W cosθ
F!! =WcosθC!!
F!! =WC!!
Ecuación 3-3
El peso del sistema W tendrá en cuenta la masa de la bicicleta Mb y la masa del ciclista Mc como se muestra en la Ecuación 3-4.
W=(M!+M!)g
Ecuación 3-4
La fuerza por el arrastre aerodinámico FD, se define en la Ecuación 3-5, donde ρ es la densidad del aire, CD es el coeficiente de arrastre entre el sistema (bicicleta, ciclista) y el aire y AD es el área frontal del sistema, juntos se conocen como el área de arrastre CDA, Va es la velocidad del aire que es la velocidad relativa entre la velocidad del ciclista Vg y la velocidad del viento Vw, es decir la resta vectorial entre la velocidad del
ciclista y la velocidad del viento (Ecuación 3-6) (ver Figura 3-2) , la componente y de esta fuerza se verá reflejada en el valor de Va.
F!=1
2ρC!AV!!
Ecuación 3-5
V!=V!−V!
Ecuación 3-6
Se diferencian tres escenarios de viento, viento totalmente en contra β =180˚, viento con un ángulo β =[0 ,180] y viento totalmente a favor β =0˚. Donde β es el ángulo entre el vector de velocidad del ciclista Vg y el vector de velocidad del viento Vw como se ilustra a continuación:
Figura 3-2. Ejemplo de vectores de velocidad del ciclista, del viento y del aire.
Una vez se conoce la fuerza F que se requiere para mover el sistema se obtiene la potencia consumida por la bicicleta P a partir de la velocidad constante del ciclista Vg como se muestra en la Ecuación 3-7.
P=F V!=(F!!+W!+F!)V!
P= WC!!+ Wθ+
1
2ρC!AV!! V!
Ecuación 3-7
Adicionalmente, ya que la potencia anterior no tiene en cuenta pérdidas por transmisión de potencia del pedal a la rueda se toma una eficiencia de transmisión por cadena Ec y se obtiene la potencia neta gastada por el ciclista Pnet Ecuación 3-8.
P!"#= WC!!+ Wθ+1
2ρC!AV! ! V
!
1
E!
Ecuación 3-8
Por otro lado, también se puede calcular el torque necesario en la rueda trasera Tr a partir de la fuerza F (Ecuación 3-1) y el radio de la rueda trasera rr por la Ecuación 3-9. Igualmente de le relación de transmisión entre el plato delantero y el piñón trasero Rc y la velocidad angular de la rueda wr, se puede obtener la velocidad angular en el pedal wc que en rpm se conoce como cadencia del ciclista, Ecuación 3-10.
Vg
Vw
Va
T!=F r!
Ecuación 3-9 w!
w!= r!
r!=R!
w! = R! w!
Ecuación 3-10
En el caso en el que se tiene una potencia de entrada limitada o específica y se quiere obtener el desempeño de la bicicleta, velocidades, torques, fuerzas, etc., vale la pena recordar la Ecuación 3-11, potencia mecánica equivale a torque por velocidad angular o fuerza por velocidad lineal, y la Ecuación 3-12, donde existe una potencia inicial dada por el ciclista que equivale a la potencia que sale de la rueda trasera necesaria para generar movimiento constante y que toma en cuenta la eficiencia de transmisión de la cadena.
P=Fv
P=Tw
Ecuación 3-11
P!" =P!"#
P!" =P!"∗E!
Ecuación 3-12
Para el planteamiento anterior del modelo matemático del consumo de potencia de una bicicleta se utilizaron las siguientes fuentes bibliográficas: (Martin, Milliken, Cobb, McFadden, & Coggan, 1998), (Íñiguez, Íñiguez de la Torre, & Íñiguez de la Torre, 2011) (Gordon Wilson & Papadopoulos, 2004), (Abbot & Gordon Wilson, 1995) en estas se encontraron acercamientos similares.
4
Resultados del Modelo Teórico de una bicicleta
Una vez planteado el modelo teórico para una bicicleta se determinan los valores de las constantes y variables contenidas en el modelo. Estos se reportan en la Tabla 4-1:
Tabla 4-1 Valores de las constantes a utilizar en el modelo teórico de la bicicleta.
Constantes
Generales
Ms (kg) 90 Masa del sistema (Mb + Mc)
Mb (kg) 10 Masa de la bicicleta (Gross, Kyle, & Malewicki, 1983)
Mc (kg) 80 Masa del ciclista
Ir(kg/m2) 0.031 Inercia promedio de las ruedas (Zinn, 2008)
rr(m) 0.33 Radio de las ruedas
Rc 2.7 Relación de transmisión común
g (m/s2) 9.81 Aceleración gravitacional
Arrastre Aerodinámico
ρaire(kg/m3) 0.90 Densidad del aire en Bogotá (Sathyajith)
Cd A(m2) 0.4 Área de arrastre
(Gross, Kyle, & Malewicki, 1983) (Íñiguez, Íñiguez de la Torre, & Íñiguez de la Torre, 2011)
Cd 1
Coeficiente de arrastre (Gross, Kyle, & Malewicki, 1983) (Íñiguez,
Íñiguez de la Torre, & Íñiguez de la Torre, 2011)
A (m2) 0.4 Área frontal
(Gross, Kyle, & Malewicki, 1983) (Íñiguez, Íñiguez de la Torre, & Íñiguez de la Torre, 2011)
Vw (m/s) 2.8 Velocidad del viento promedio en Bogotá (IDEAM)
Resistencia a la rodadura
CRR 0.004
Coeficiente de resistencia a la rodadura (Íñiguez, Íñiguez
de la Torre, & Íñiguez de la Torre, 2011) Componente del peso θ (˚) 1-2 Ángulo de inclinación camino
Transmisión de potencia
EC 97.5%
Eficiencia de transmisión de la cadena (Martin, Milliken,
Cobb, McFadden, & Coggan, 1998)
El valor del coeficiente de resistencia a la rodadura, en la tabla anterior, corresponde al de una bicicleta común, de ruedas delgadas, con una presión de ~0.7 MPa (~101 psi), en contacto con una calzada en buen estado (Íñiguez, Íñiguez de la Torre, & Íñiguez de la Torre, 2011).
Los valores de área frontal, coeficiente de arrastre y área de arrastre utilizados son los de una bicicleta de carreras con un ciclista amateur (Íñiguez, Íñiguez de la Torre, & Íñiguez de la Torre, 2011) en posición con los brazos estirados (Gross, Kyle, & Malewicki, 1983).
Se realizaron cálculos de potencia consumida para un rango de velocidades de ciclista de acuerdo a los valores comunes encontrados en la bibliografía, estos valores, casi en su totalidad, son acordes a los valores de cadencia promedio de un ciclista (desde 60 hasta 110 rpm) reportados en la literatura y a la relación de cambios promedio Rc que usa una bicicleta. El rango de velocidades lineales del ciclista y las velocidades angulares que estas representa en la rueda y en el plato delantero para una relación de transmisión común de 2.7 se muestra en la Tabla 4-2.
Tabla 4-2. Rango de velocidades del ciclista a utilizar y velocidad angular que implica en rueda y pedal para una relación de transmisión de 2.7
Rueda Cadencia
Vg(km/h) wr(rpm) wc(rpm)
20 160 60
30 240 90
40 320 120
A continuación, en la Figura 4-1, se muestran 4 gráficas que trazan el comportamiento de la potencia neta, línea negra, en el intervalo propuesto de velocidades del ciclista para condiciones de viento a favor y viento en contra y para ángulos de inclinación de 1˚ y 2˚. Además, en estas mismas gráficas, se observa, la proporción en términos de potencia, del efecto de la resistencia a la rodadura, la componente del peso y el arrastre aerodinámico en la potencia neta para las condiciones de viento e inclinación mencionadas.
Figura 4-1 Potencia Neta y efecto de sus componentes para combinaciones de viento en contra, viento a favor y ángulo de inclinación del camino de 1˚ y 2˚.
20 25 30 35 40
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Viento en contra con inclinacion de 2 deg
Velocidad ciclista (km/h)
Potencia consumida (W)
Resistencia a la rodadura Componente del peso
Potencia Neta
Viento en contra con inclinación de 2 deg
Resistencia a la rodadura Componente del peso Arrastre aerodinámico Potencia Neta
20 25 30 35 40
0 100 200 300 400 500 600
Viento a favor con inclinacion de 2 deg
Velocidad ciclista (km/h)
Potencia consumida (W)
Resistencia a la rodadura Componente del peso Arrastre aerodinamico Potencia Neta
Viento a favor con inclinación de 2 deg
Resistencia a la rodadura Componente del peso Arrastre aerodinámico Potencia Neta
20 25 30 35 40
0 100 200 300 400 500 600 700
Viento en contra con inclinacion de 1 deg
Velocidad ciclista (km/h)
Potencia consumida (W)
Resistencia a la rodadura Componente del Peso Arrastre aerodinamico Potencia Neta
Viento en contra con inclinación de 1 deg
Resistencia a la rodadura Componente del peso Arrastre aerodinámico Potencia Neta
20 25 30 35 40
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Viento a favor con inclinacion de 1 deg
Velocidad ciclista (km/h)
Potencia consumida (W)
Resistencia a la rodadura Componente del peso Arrastre aerodinamico Potencia Neta
Viento a favor con inclinación de 1 deg
Resistencia a la rodadura Componente del peso Arrastre aerodinámico Potencia Neta
Se ha mencionado que los tres factores que contribuyen a la potencia neta son la resistencia a la rodadura, el arrastre aerodinámico y la componente del peso. En las gráficas de la Figura 4-1 se observa como se comporta la potencia neta y sus componentes para cuatro casos de viento e inclinación diferentes, en la Figura 4-2 se quiere ilustrar la influencia de cada uno de estos tres factores en términos de la potencia extra que representan en la potencia neta. Es decir, se determinó la potencia neta para el caso de viento en contra y para el caso de viento a favor, sin cambios en el ángulo de inclinación y el peso del sistema, y la diferencia de dichas potencias se graficó para el rango de velocidades de interés (línea azul), dicha diferencia se puede entender como la potencia extra que un escenario requiere frente al otro. También se definió la influencia del ángulo de inclinación del trayecto en la potencia neta en términos de potencia extra, cambiando únicamente los parámetros de inclinación de 1˚ a 2˚ y comparándolos entre si (línea verde). Igualmente para la preponderancia de la componente del peso se calculó la diferencia de la potencia neta entre un sistema con masa total de 90kg y uno con 8kg más(línea sólida anaranjada) y uno con 20 kg más (línea punteada anaranjada), manteniendo las condiciones de mayor demanda, es decir una inclinación de 2˚ y condiciones de viento en contra, se trazan estos dos escenarios de aumento de peso para obtener también una idea de la tendencia de la influencia de la componente del peso de acuerdo a la magnitud de esta.
Figura 4-2. Influencia de la dirección del viento, ángulo de inclinación y peso del sistema en términos de potencia extra requerida en la potencia neta para el intervalo de velocidades
seleccionado.
Al observar los valores que toma la potencia neta en la Figura 4-1 se advierte que esta cambia considerablemente de acuerdo a las condiciones de viento y de inclinación del camino donde se necesita menor potencia cuando existe viento a favor y ángulos de inclinación pequeños mientras que se requiere mayor potencia para una situación de viento en contra e inclinación mayor. Lo anterior se puede corroborar al observar la tendencia de la potencia por el arrastre aerodinámico y por la componente del peso para los 4 escenarios graficados. De la tendencia observada para la potencia consumida
20 25 30 35 40
0 50 100 150 200 250 300
Velocidad ciclista (km/h)
Potencia extra consumida (W)
Influencia de variables en t‘erminos de Potencia extra consumida
Direcci‘on de viento, a favor vs. en contra ‘Angulo de inclinaci n, 1 vs. 2 Peso del sistema, diferencia de 20 kg Peso del sistema, diferencia de 8 kg
Potencia extra que requiere en la potencia neta
Dirección del viento Ángulo de inclinación
Peso del sistema, aumento de 20 kg Peso del sistema, aumento de 8 kg
por la resistencia a la rodadura se puede afirmar que esta tiene un efecto mínimo en la potencia neta con respecto a los otros dos efectos.
La potencia por el arrastre aerodinámico obedece a las condiciones de viento y las velocidades del ciclista, su crecimiento es cúbico con respecto a la velocidad del ciclista, de la Figura 4-2 se observa que la diferencia en las condiciones de viento implican aproximadamente desde 70W hasta 250W de variación en esta potencia. En cuanto a la potencia por la componente del peso esta está sujeta a las condiciones de inclinación del trayecto, se muestran resultados para ángulos de inclinación positiva (subidas).La influencia de esta variable es significativa para la potencia neta consumida y tiene un crecimiento lineal con respecto a la velocidad del ciclista, la diferencia de un grado de inclinación puede significar variaciones entre 80 W y 170W en el valor de esta potencia. Para casos donde no hay inclinación no hay contribución de esta potencia. Para el caso de ángulos de declinación (bajadas) la componente del peso hace trabajo en el sistema y se convierte en un factor favorable para la potencia neta al disminuirla para ángulos de bajada mayores.
Se observa que la potencia por resistencia a la rodadura es la que presenta menor influencia en la potencia neta consumida.
Adicionalmente la potencia neta presenta un comportamiento potencial cúbico creciente. Dicho comportamiento es adoptado de la tendencia de la potencia consumida por el arrastre aerodinámico.
De la Figura 4-2 y para las velocidades de interés se puede decir que para velocidades entre 20 km/h y 27 km/h cambios en la inclinación del trayecto (de 1˚ a 2˚ de inclinación) tendrán mayor influencia en la potencia neta comparada con los efectos del arrastre aerodinámico o aumentos de peso de un poco más de 20kg. Para velocidades mayores a 27km/h sobresale el efecto por cambios en las condiciones de viento, en donde una mayor proporción de la potencia neta es requerida para vencer el arrastre aerodinámico. Por otro lado se observa que aumentar el peso en el sistema, incluso hasta 20kg, en las condiciones de mayor demanda (viento en contra e inclinación de 2˚), representa la menor influencia en la potencia neta requerida, donde un aumento de 8 kg puede significar entre 30 y 100 W más de consumo y un aumento de 20 kg entre 55 y 155 W .
En otras palabras, lo anterior significa que para velocidades hasta de 27 km/h el factor más crítico en la potencia neta requerida será el ángulo de inclinación del trayecto seguido de las condiciones de viento, mientras que para velocidades mayores a 27km/h las condiciones de viento y la inclinación del trayecto, en ese orden, serán los factores cruciales en los valores de potencia neta requerida por el sistema. Aumentos en el peso de hasta 20 kg presentan menores repercusiones en la potencia neta requerida.
Las figuras anteriores sugieren que, de ser posible, el arrastre aerodinámico y la componente del peso deben mantenerse en los valores más bajos posibles pues son los
que presentan mayor influencia en la potencia neta, de igual forma esta potencia se verá mas afectada por inclinaciones en el trayecto mayores que por aumentos de peso de hasta un poco más de 20kg.
De la Figura 4-1 se puede observar que la potencia consumida para velocidades de 40 km/h se encuentra entre 300 W y 800 W, aproximadamente, este último valor es bastante alto, si se compara con la potencia disponible para el pedaleo en la Figura 1-1. De acuerdo a esta figura para una persona que se ejercite de 30 min a 60 min la potencia con la que dispondrá estará entre 200 W y 350, lo anterior implica que para el sistema que se analizó es posible que se alcance en promedio una velocidad máxima de 30 km/h bajo cualquiera de las condiciones.
Por último, en la Figura 4-3 se muestran valores de torque promedio en la rueda en función de la potencia disponible del ciclista para dos valores extremos de cadencia.
Figura 4-3. Torque en la rueda en función de la potencia requerida para dos cadencias.
Se observa que el torque en la rueda alcanza valores de ~18 N.m para una cadencia baja y de hasta ~10 N.m para una cadencia alta cuando se utilizan 300W de potencia. De igual forma, es evidente que el torque es mayor cuando las velocidades de pedaleo son menores y viceversa, para una cantidad de potencia disponible fija. Igualmente se obtienen torques menores para potencias disponibles menores.
5
Selección de Modelos de Energía
Una vez desarrollado el modelo analítico de una bicicleta y sus resultados se tiene una mejor visión de las características y comportamientos de este sistema bajo diferentes condiciones.
En esta etapa del proyecto se seleccionan 5 modelos de energía que puedan ser adaptados a un vth y que cumplan con las reglas establecidas en el HPVC de la ASME,
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
50 100 150 200 250 300 350
Torque en la rueda [N
.m]
Potencia requerida[W]
Torque en la rueda vs. Potencia requerida
Cadencia 60 rpm Cadencia 110 rpm
a continuación se presenta el párrafo, traducido textualmente, dentro de las reglas de esta competencia, que hace alusión a los dispositivos de almacenamiento de energía:
“ Vehículos con Dispositivo de Almacenamiento de Energía: Se incentiva a los equipos a utilizar dispositivos de almacenamiento de energía en la prueba de resistencia. La energía debe ser almacenada mientras el vehículo se encuentre en movimiento, siendo la fuerza humana la única fuente de energía externa. Antes del inicio de cada evento, cada equipo debe demostrar que el dispositivo de almacenamiento de energía no tiene energía inicial almacenada. Motores de combustión o reacciones químicas están excluidos de la competencia.
…Todos los dispositivos de almacenamiento de energía deberán ser compatibles con el espíritu de la competencia con relación a la conservación de energía y el cuidado del medio ambiente.” (ASME, 2014)
Antes de presentar los 5 modelos de energía que se van a evaluar, a continuación, se realizará una revisión de la definición de energía, junto con una forma de clasificarla. También se definirán las principales fuentes de energía renovable y los mecanismos más comunes de almacenamiento de las mismas
5.1
Energía:
Todos los días nuestro cuerpo requiere de energía, traducida en alimentos y calor, para vivir y realizar la más simple tarea. Así mismo, todo lo que utilizamos en nuestro día a día demanda o demandó energía para funcionar o existir. Se puede hablar de la energía eléctrica que necesitan los electrodomésticos para funcionar, o de la energía en forma de combustible que utilizan los automóviles. Incluso se puede hablar de la energía necesaria para crear una prenda de vestir donde este proceso no solo envuelve la energía eléctrica gastada por la máquina que corta y cose la prenda, sino la requerida para adquirir el material, transportarlo, procesarlo y demás. Casi se podría decir que nuestra existencia y la del mundo se puede definir en términos de energía. Sin embargo, ¿cómo se puede definir en sí la ‘energía’?
La energía puede existir en diferentes formas: cinética, potencial, térmica, química, eléctrica, magnética y nuclear y puede entenderse como una propiedad de un sistema, asociada al estado o condición de este, donde esta puede ser convertida, de una forma a otra, o transferida, de un sistema a otro, pero no puede ser creada o destruida, como declara el principio de conservación de energía, en la primera ley de la termodinámica. Por ejemplo, energía potencial en el agua de una represa es transformada en energía cinética cuando el agua cae, solo para luego ser transformada en energía mecánica rotacional en el eje de una turbina, donde luego, mediante un generador eléctrico, se obtiene energía eléctrica disponible en la red eléctrica. La energía, entonces, también se puede interpretar como la capacidad de realizar trabajo. Adicionalmente, en el ejemplo anterior, la energía se transforma de una forma a otra, incluyendo a energía en forma de calor irrecuperable, por la segunda ley de la termodinámica, lo que explica por qué la cantidad de energía eléctrica al final del proceso no equivale a la cantidad de energía potencial al inicio del proceso.
Con el fin de entender mejor las diferentes formas de energía una forma de clasificarlas es en energías primarias y energías secundarias (Huggins, Energy Storage, 2010) :
Las energías primarias son aquellas que se pueden extraer directamente del medio ambiente, estas pueden provenir de 3 fuentes: fuentes de energía no renovable, como el carbón, el crudo de petróleo, el gas natural y la energía nuclear; fuentes de energía renovable, como la energía hidroeléctrica, la energía solar, la energía del viento, la biomasa, la energía geotérmica y la energía de los océanos; y la energía de desechos.
Las energías secundarias, por otro lado, son el resultado de la transformación de energía primaria en alguna forma de energía final, lista para el consumo, estas pueden ser de 4 tipos: energía eléctrica, térmica, mecánica o química, las cuales a su vez en su mayoría se traducen en energía en forma de electricidad o combustibles como la gasolina, el etanol, el metanol, aceites e hidrógeno.
En la Figura 5-1 se observa un esquema con la clasificación antes descrita.
Figura 5-1 Esquema de la clasificación de la energía en energía primaria y secundaria.
Fuentes Renovables:
La energía renovable viene de los recursos naturales en el medio ambiente y se repone naturalmente. En sus diferentes formas, en últimas, esta proviene del sol y de sus efectos en el medio o del calor generado en las profundidades de la tierra. A continuación se exponen las principales fuentes de energía renovable (Huggins, Energy Storage, 2010) (Demirel, 2012):
- Energía Hidroeléctrica:
Este tipo de energía emplea la energía proveniente del movimiento del agua.
En la Tierra, el agua, en algún momento de su ciclo, es almacenada en lagos, ríos, océanos, embalses, reservas de agua artificiales como represas, etc.. Estos depósitos de agua pueden servir para generar energía cuando el agua se hace pasar a través de turbinas y generadores eléctricos. En su mayoría se aprovecha la energía potencial con la que una reserva de agua dispone de acuerdo a la altura a la que se encuentra. Así, la potencia que se logra extraer obedecerá al volumen del flujo de agua y a la diferencia de alturas o cabeza de presión entre la fuente de agua y la salida de la misma.
Este tipo de energía, por lo general, hace referencia a represas hidroeléctricas de gran escala que pueden producir entre 750MW y 2700MW. Sin embargo, también se encuentran instalaciones de menor escala que pueden producir incluso 100kW en forma de energía eléctrica o mecánica.
- Energía Solar:
La energía solar proviene del sol en forma de radiación y puede ser aprovechada en forma de luz o calor. La generación eléctrica a partir de energía solar se basa en la energía fotovoltaica o en los motores térmicos.
Las celdas fotovoltaicas son dispositivos que cambian sus características eléctricas, ya sea su corriente, voltaje o resistencia, cuando son expuestas a la luz. Dichas celdas son las unidades básicas, que organizadas en arreglos, componen los módulos o paneles solares. La celda solar de silicio cristalino fue la primera celda inventada y actualmente ocupa alrededor del 80% del mercado de celdas solares, esta celda de unión sencilla presenta eficiencias entre 14% y 20% cuando producidas en masa , tiene una vida útil larga y es fácil de fabricar, en la Tabla 5-1 se presentan algunos tipos de celdas solares con su eficiencia, costo y posición en el mercado. Los módulos de energía fotovoltaica generan electricidad en forma de corriente directa cuando son expuestos a la luz, donde la intensidad de corriente eléctrica depende de la intensidad de luz. La potencia que se puede extraer a partir de un módulo de estos, PS, esta dada por la Ecuación 5-1 donde η! es la eficiencia del módulo fotovoltaico, AS es el área del panel donde incide
la luz solar, y H es la irradiación solar presente dada en W/m2, esta es la potencia
incidente por unidad de superficie, si se multiplica por un tiempo dado se obtiene la densidad de energía Insolación que es la medida de energía en forma de radiación solar recibida en un área durante un tiempo determinado, se conoce como I y sus unidades son MJ/m2 o J/mm2. La irradiación solar promedio se encuentra entre 150
W/m2 y 300 W/m2. En el 2005 en Estados Unidos se produjeron 150MW a partir de esta
energía. El mayor interés, en este campo, en la actualidad, es incrementar la eficiencia de estos módulos, la cual se encuentra entre 14% y 20%, como ya se mencionó, y desarrollar nuevas celdas, como celdas de unión múltiple, que puedan salir al mercado a un precio competitivo.
Tabla 5-1. Tipos de celdas solares. (Chen, 2011)
P!=η! 𝐴 !𝐻 Ecuación 5-1
Por otro lado, la energía solar en forma de luz se utiliza para hacer funcionar motores térmicos. Mediante espejos y lentes la luz del sol es concentrada en un área pequeña que al calentarse funciona como un reservorio de calor para una motor térmico, comúnmente una turbina de vapor que se conecta a un generador eléctrico. Una de las formas más comunes de los concentradores de calor son los concentradores solares cilíndricos parabólicos.
Adicionalmente, la energía solar también es utilizada en aplicaciones como calefacción, refrigeración, iluminación natural, calentadores solares, cocinas solares, etc. De acuerdo a la técnica de captura, conversión y distribución de este recurso, se pueden dividir en técnicas solares pasivas o técnicas solares activas. En pocas palabras, la primera se vale de la circulación del agua cuando esta es calentada, mientras que la segunda utiliza colectores térmicos solares para obtener la energía del sol.
- Energía Eólica (Rosa, Chapter 15- Wind Energy, 2009):
La corrientes de viento suceden debido al calentamiento desigual en la Tierra por el sol. Estos vientos cargan energía en su movimiento, el cuál puede ser aprovechado por turbinas eólicas y generadores eléctricos para obtener energía eléctrica, por molinos de viento para generar energía mecánica, por bombas de viento para bombear agua e incluso por velas en barcos para generar movimiento. Donde el primero es el uso de mayor interés y estudio en la actualidad.
A lo largo de la historia se han propuesto y estudiado modelos de turbinas eólicas que plantean diversos principios de funcionamiento, un ejemplo son las turbinas que funcionan por el efecto del arrastre aerodinámico (drag-type) y las que funcionan por sustentación aerodinámica (lift-type), las cuales pueden ser de eje vertical o eje horizontal. Se puede decir que las turbinas de mayor presencia en el mundo hoy en día son la de sustentación aerodinámica, donde alrededor del 90% son de eje horizontal.
Un problema de la energía eólica es su variabilidad. No es posible tener certeza total de las condiciones de viento en un lugar a lo largo de un día, una semana o un año. Lo
anterior es un problema pues al no conocer con exactitud las condiciones de trabajo de la turbina su diseño no podrá igualar condiciones de operación óptimas. No obstante, se pueden hacer análisis estadísticos juiciosos que permiten obtener las frecuencias y velocidades medias de una locación. Con este tipo de información se realizan ajustes probabilístico con funciones de probabilidad de Rayleigh y/o Weibull que permiten predecir la probabilidad de que la velocidad del viento sea igual o mayor a una velocidad dada en cierta locación.
Por otro lado, es importante conocer la disponibilidad de energía en el viento y la fracción de esta que puede ser convertida a energía útil. La potencia disponible en el viento, PW, esta dada por la Ecuación 5-2, donde esta es proporcional al cubo de la velocidad del viento que cruza por el rotor, v, al área del rotor, Ar, y a la densidad del aire, ρ. Sin embargo, en 1919 el físico Alemán Albert Betz planteó un modelo ideal que supone una turbina, de eje horizontal, con un número de aspas infinitas, semejante a un disco plano, por la que fluye viento imperturbado. En este modelo, Betz determinó que la turbina extrae la mayor cantidad de potencia cuando la velocidad a la salida de la turbina equivale a 1/3 de la velocidad en la entrada, resultando en una potencia máxima extraíble del 59.3% (16/27 =0.593) de la potencia total disponible en el viento, PA, Ecuación 5-3. Se conoce como coeficiente de Betz, CP, a esta fracción (16/27) que limita la cantidad máxima de potencia extraíble por una turbina de viento.
P!=1 2ρA!v! Ecuación 5-2
P! = 16
27 1 2ρA!v! Ecuación 5-3
Adicionalmente, se debe tener en cuenta el rendimiento de la turbina utilizada ηT con respecto al ideal de Betz , donde ninguna turbina exhibe el comportamiento ideal planteado por Betz. Una turbina bien diseñada puede alcanzar un rendimiento de hasta 0.7, aunque en situaciones más realistas este valor se encuentra entre 0.4 y 0.6. La potencia entregada por una turbina eólica es como se presenta en la Ecuación 5-4.
P!=η!16 27 1
2ρA!v!
Ecuación 5-4
- Energía Biomasa (Rosa, Chapter 13-Biomass, 2009):
Los compuestos orgánicos son aquellos que contienen carbono, esencialmente, junto con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, entre otros elementos, y su principal característica es que pueden ser quemados y liberan energía. En otras palabras, se comportan como combustibles.
La biomasa se puede definir como materia orgánica que se origina en un proceso biológico, de seres vivos, como plantas, microorganismos, animales, etc.. Como fuente de energía la biomasa puede ser quemada directamente y mediante su combustión producir calor, como la madera, o puede ser procesada y posteriormente ser utilizada en forma de biocombustible como el etanol o el biodiesel.
Las plantas toman energía por medio de la fotosíntesis y la almacenan en forma de biomasa, lo que significa que la biomasa es una fuente de energía renovable basada en el ciclo del carbono. Combustibles biológicos obtenidos por medio de la fotosíntesis se pueden dividir en carbohidratos, grasas y proteínas. Biocombustibles sintéticos son el etanol y el biodiesel, algunos ejemplos de biomasa cultivada para obtener biocombustibles son el maíz, lo granos de soya, la palma de cera, la caña de azúcar, la flor de canola, entre otros.
- Energía Geotérmica:
La energía geotérmica hace referencia al calor acumulado debajo de la superficie de la Tierra debido al origen de la misma, a actividad volcánica, a la degradación de minerales y a la energía solar absorbida por la superficie. Los gradientes de temperatura que se forman entre el núcleo y la superficie de la tierra forman reservas de calor en forma de agua o vapor. Estas reservas puede ser alcanzadas mediante perforación y utilizadas por motores térmicos y generadores para obtener energía eléctrica principalmente, aunque también puede ser utilizadas en aplicaciones de agricultura, en procesos industriales o en calefacción de construcciones.
- Energía en los Océanos:
La energía en los océanos puede ser de dos tipo geotérmica o hidroeléctrica. En la primera se aprovecha las diferencias de temperatura entre aguas profundas y aguas en la superficie para hacer funcionar un motor térmico. En la segunda, por otro lado, se aprovecha la actividad del océano para generar energía eléctrica a partir de la energía mecánica de una turbina. La actividad del océano la establecen las olas y la marea, las primeras se deben al viento mientras que la segunda sucede por la acción de la gravedad de la luna en el mar.
Un aspecto característico de las fuentes de energía renovables es que su disponibilidad es dependiente del tiempo. Por ejemplo, las reservas de agua de una hidroeléctrica obedecen al momento del año y a las condiciones climáticas del lugar, la energía solar esta sujeta a la disponibilidad de sol en el día, la energía eólica se somete a la aleatoriedad del viento, la energía de la biomasa debe tener en cuenta los tiempos de crecimiento de los cultivos y el éxito de los mismos, etc. De esta forma, para cumplir las demandas de energía a partir de estas fuentes se debe programar muy bien la extracción de energía, cantidades y momentos, o se deben usar métodos de almacenamiento de energía efectivos. El método de almacenamiento que se escoja obedecerá a factores como cantidad de energía almacenada, tipo de energía, facilidad de transporte, tiempo de reserva, aplicación, etc. Sin embargo, los principales métodos incluyen almacenamiento en forma de energía térmica , eléctrica, química y mecánica.
A continuación se explica, brevemente, y se presentan ejemplos para estos tipos de almacenamiento de energía, excluyendo el de energía química, ya que, este no es de interés en este proyecto, como lo plantea la regla de la competencia HPVC de la ASME.
- Térmica:
Energía térmica puede ser almacenada en forma de calor sensible o en forma de calor latente a temperaturas mayores o menores a las ambientales. Estas reservas de energía pueden ser para aplicaciones de corto o largo plazo. Un ejemplo es el almacenamiento de calor de sol durante el día para su posterior uso durante la noche.
El almacenamiento de energía en forma de calor sensible suministra calor a un sistema aumentando únicamente su temperatura. Dicha energía luego puede ser transmitida a otro sistema, que se encuentre a menor temperatura, mediante conducción, convección o radiación. La cantidad de calor que puede ser transferida de un sistema a otro es proporcional a la densidad, el calor específico, el volumen y la diferencia de temperatura del sistema. El sistema deberá estar muy bien aislado para que las pérdidas de calor indeseadas sean mínimas. Un ejemplo es el agua, la cual se usa para el control de calefacción y enfriamiento de espacios, esta es especialmente interesante por su alto valor de calor específico, sin embargo, su utilidad esta limitada a un rango de temperatura muy pequeño (de 5˚C a 95˚C). Otro ejemplo son los materiales cerámicos que se usan en acumuladores de calor para retener el calor.
Por otro lado, el almacenamiento de energía por calor latente se logra cuando hay cambios de fase en el material. El cambio de fase más utilizado es el líquido-sólido. Almacenar energía en forma de calor latente reduce las variaciones en temperatura y ofrece capacidades de almacenamiento mayores en términos de volumen y masa. Adicionalmente, se puede seleccionar un material específico para las necesidades de temperatura y cantidad de energía a almacenar. Se pueden encontrar materiales para un amplio rango de temperaturas (de -5˚C hasta 190˚C) que pueden almacenar muchas más cantidad de calor por unidad de volumen que sistemas convencionales como el agua. Ejemplos de materiales comunes son los hidratos de sales, los ácidos grasos, los esteres y varias parafinas. El almacenamiento en hielo y en sales fundidas son ejemplos de este tipo de reserva de energía. Este último es utilizado por la planta solar Solana Generation Station, ubicada en Arizona- Estados Unidos, en esta planta se obtiene energía solar mediante colectores parabólicos y parte de esta es almacenada en tanques de sal fundida, con el fin de que la planta pueda operar incluso en la noche.
- Mecánica:
La energía mecánica se conoce como el conjunto de la energía cinética y la energía potencial en un sistema. La primera hace alusión a la energía que tiene un sistema relativa a la velocidad de este, mientras que la segunda hace referencia a la energía de un sistema de acuerdo a su posición dentro de un campo de fuerza. Teniendo en cuenta lo anterior, energía mecánica puede ser almacenada en forma de energía cinética o energía potencial. A continuación se presentan ejemplos de almacenamiento de energía mecánica:
Gases Comprimidos: Se puede aprovechar la compresibilidad de los gases para almacenar energía potencial en forma de gas comprimido en un contenedor. Aire comprimido puede transferir potencia a altas tasas de flujo. Se pueden almacenar grandes cantidades de energía con pequeños cambios de presión. Sus aplicaciones pueden ser de gran escala, en reservorios de extensos volúmenes para producción de energía eléctrica o de pequeña escala, como consideraciones en sistemas de transporte, como en vehículos híbridos. Este sistema es ventajoso frente a las baterías convencionales en la duración de los recipientes y la baja toxicidad de los materiales.
Volantes de inercia: Un volante de inercia almacena energía en forma de energía cinética rotacional. El volante es acelerado y guarda energía en forma de velocidad angular, este disminuye su velocidad cuando la energía es extraída obedeciendo al principio de conservación de energía. Los volantes de inercia más sofisticados tienen rotores de filamentos de carbono de alta resistencia, suspendidos en rodamiento magnéticos, que alcanzan velocidades de 50000 rpm en un medio al vacío. La energía cinética en un volante de inercia esta dada por la Ecuación 5-5, donde I es el momento de inercia y w la velocidad angular del volante. Dicha energía será mayor para w e I mayores.
E!= 1 2Iw! Ecuación 5-5
En la Ecuación 5-6 se observa una expresión para el momento de inercia I donde 𝜌 𝑥 es la distribución de masa y r es la distancia hasta el centro de rotación. Se obtienen valores altos de I en cuanto una masa grande se concentre en un valor alto de r.
I= ρ x r dx
Ecuación 5-6
Los volantes de inercia pueden presentar diferentes formas, una estrategia es diseñar un disco en el que el esfuerzo sea igual en todas las partes del mismo, un ejemplo es el diseño que se observa en la Figura 5-2.
Figura 5-2 Corte transversal de un diseño óptimo de un disco de volante de inercia. El eje de rotación se encuentra en el centro (Huggins, Energy Storage, 2010)
En la siguiente tabla se muestran ejemplos de diferentes volantes de inercia y algunas características de estos:
Tabla 5-2. Ejemplo de volantes de inercia y sus características. (Huggins, Energy Storage, 2010)
Cabe mencionar que, dado el caso, que un volante de inercia pierda su balance o estabilidad, estos se convierten en armas peligrosa pues actúan como proyectiles por las altas velocidades a las que rotan. Adicionalmente, por estas altas velocidades, los esfuerzos máximos del material deben tenerse en cuenta en el momento de diseño de estos dispositivos.
Resortes: Los resortes pueden almacenar energía cuando estos son comprimidos o estirados. Esta energía dependerá de la constante del resorte y del cambio de longitud sometido. Un ejemplo de un sistema que utiliza un resorte para almacenar energía son los juguetes de cuerda, en estos se enrolla un resorte de torsión en espiral comprimiéndolo y almacenando energía, cuando el resorte se descomprime la energía del resorte se transfiere a elementos mecánicos en el juguete encargados del movimiento, por lo general engranajes y ejes. En la Figura 5-3 se observan ejemplos de estos mecanismos.
Figura 5-3 Mecanismos con resortes para almacenar energía. El carro de juguete, izquierda, almacena la energía cuando las ruedas del carro se tiran hacia atrás. El mecanismo de la
derecha utiliza una manivela para enrollar el resorte. (Spring-powered toy car)
Almacenamiento como energía potencial: Estos métodos aprovechan la fuerza gravitacional para almacenar energía. Un ejemplo tradicional son los relojes de
péndulo, inventados desde el siglo XVII, los cuales utilizan la energía potencial de masas colgantes para mantenerse en funcionamiento, ver Figura 5-4. Otro ejemplo del este tipo de almacenamiento son las plantas hidroeléctricas, las cuales almacenan agua a una diferencia de altura y aprovechan la energía potencial en la caída para generar energía cuando necesario, este mecanismo es igual en sistemas de menor escala.
Figura 5-4 Esquema de un reloj de péndulo que usa la energía potencial de una masa para funcionar. (Francis C Moon, 2006)
- Eléctrica:
La electricidad, flujo de cargas eléctricas, es la forma final de energía más reconocidas y con mayor crecimiento en el mundo debido a que transporta energía de todo tipo, en forma de electricidad, a hogares, empresas e industrias; así mismo, su facilidad de uso, en comparación a otro tipo de energías, la hacen bastante llamativa. Almacenamientos que tienen que ver con este tipo de energía se mencionan a continuación:
Capacitancias: Las capacitancias o condensadores almacenan energía eléctrica a partir de la separación de cargas eléctricas mediante un dieléctrico. Estos dispositivos consisten en dos placas planas conductoras separadas por un material no conductor, cuando un diferencial de potencia es aplicado a través de las placas conductoras, se crea un campo electrostático en el dieléctrico que hace que se acumulen las cargas positivas en una placa y las negativas en la otra. La energía es almacenada electrostáticamente. Estos dispositivos se encuentran en circuitos electrónicos y por lo general son utilizados para liberar altas densidades de energía. Estos dispositivos pueden funcionar como baterías momentáneas, que mantienen la energía en un sistema mientras este es cambiado de baterías o desconectado. Un condensador proporciona menos de 360 J/kg de densidad de energía, comparado a una batería alcalina con densidad de energía de 590 kJ/kg.
Inductores, bobinas eléctricas: Los inductores son dispositivos similares a las capacitancias, por lo general se encuentran en circuitos electrónicos y en motores eléctricos. Estas unidades almacenan energía en un campo magnético dentro de la bobina cuando se hace fluir corriente por esta.
Baterías: Una batería es un dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica, es decir almacena energía eléctrica en forma de energía química. El principio de funcionamiento de estas unidades se basa en las celdas electroquímicas, estas consisten en un ánodo, electrodo positivo, un cátodo , electrodo negativo y un electrolito. Este último permite que los iones se muevan entre los electrodos y que la corriente eléctrica fluya y salga de la batería. Existen baterías de dos tipos, las baterías desechables, como las alcalinas, y las baterías recargables, como las de ión de litio o de plomo y ácido (Lead-acid). Se pueden encontrar diferentes tipos de baterías en el mercado, diversos tamaños, capacidades y con procesos químicos diferentes. Una ventaja de este sistema es su portabilidad.
5.2
Ideas en el mercado:
Antes de seleccionar los modelos de energía a evaluar para el vth también se exploró sobre el estado del arte de vehículos que acoplaran energías alternativas y tecnologías que fueran acordes a este proyecto. Se buscaron propuestas en el mercado, en bases de datos académicas y en internet. A continuación se presentan algunas de las ideas encontradas.
- Bicicletas Eléctricas (Electric bikes):
Se encuentran en el mercado un sin número de ofertas e ideas de bicicletas eléctricas, desde kits de motores eléctricos listos para integrar a cualquier bicicleta hasta bicicletas eléctricas de fábrica. La reglamentación respecto a las bicicletas eléctricas varía, sin embargo, para que una bicicleta de estas sea considerada como tal, no deberá exceder velocidades desde 25 km/h hasta 30 km/h, dependiendo el país.
Existen dos tipos de bicicletas eléctricas, las de pedaleo asistido, o pedelecs, y aquellas que funcionan con un acelerador. Las primeras, como su nombre lo indica, requieren del pedaleo para hacer funcionar el motor, estas bicicletas cuentan con un sensor de torque o de cadencia que mediante un controlador, y de acuerdo a las preferencias del usuario, ajustan la entrega del motor para proporcionar ayuda al usuario en su viaje, de acuerdo a sus requerimientos de potencia, en lo posible, imperceptiblemente, sin deteriorar la experiencia de montar bicicleta. El segundo tipo, cuenta con un switch en el manubrio para encender el motor, una vez este es activado la experiencia es similar a la de una motocicleta, ya que, no hay necesidad de pedalear.
Adicional a lo anterior, el motor puede estar ubicado directamente en el eje de la rueda, delantera o trasera, o en el centro de la bicicleta asistiendo la cadena de transmisión. Este puede ser con o sin escobillas (brush or brushless) y puede tener una
transmisión interna con engranajes planetarios o no( geared or gearless). Se encuentran motores con potencias nominales entre 200 W y 500 W.
Una de las características más importantes de la bicicleta eléctrica es su batería, esta determina su costo, peso y capacidades. Existen diferentes tipos siendo las de Iones de Litio las más recomendadas y entre estas las de Litio-Fosfato (LiFePo4), Litio-Polímero (LiPo) y Litio-Manganeso (LiMnO2). Las baterías son calificadas según sus valores de voltaje, V, y amperios-hora, AH, donde a mayor voltaje mayor velocidad máxima, y a mayor AH mayor capacidad de la batería y por lo tanto, recorridos más largos en una sola carga, por ejemplo, si la batería presenta 10 AH, en condiciones normales, el ciclista puede esperar recorrer 10 millas (16 km), sin pedalea, con una sola carga de la batería. Por lo general, las bicicletas eléctricas o los kits ofrecen configuraciones de baterías de 24 V, 36 V y 48 V.
En la imagen de la Figura 5-5 se muestran dos sistemas de bicicletas eléctricas similares, encontradas en el mercado, en la Tabla 5-3 se presentan las especificaciones de estas bicicletas.
Figura 5-5 Bicicletas eléctricas encontradas en el mercado. Flykly (arriba), Bionx (abajo). (FlyKly) (BionX Products)
Tabla 5-3. Especificaciones de tres bicicletas eléctricas
FlyKly Bionx D500 Copenhaguen Wheel
Velocidad Máxima asistida 25 km/h 43 km/h 25 km/h - 32 km/h
Motor 250 W 250 W 250W -350W
Batería Li-ion 30V / 160Wh Li-ion 48V / 555Wh / 11.6 Ah Li-ion 48V
Rango > 40 km 135 km 50 km
Tiempo de carga 3h 5 h 4 h
Peso 3 kg 7.8 kg 5.9 kg
Frenado Regenerativo SI SI SI
