Evaluación de rendimiento de un prototipo de
pico-generación eléctrico
Pedro Andrés Duarte Gómez
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería mecánica
Bogotá D.C., Colombia
Junio 2014
Evaluación de rendimiento de un prototipo de
pico-generación eléctrico
Proyecto de Grado
Pedro Andrés Duarte Gómez
Asesor
Álvaro Enrique Pinilla, PhD, MSc.
Bogotá D.C., Colombia
Junio 2014
Agradecimientos
Un cordial agradecimiento a Álvaro Pinilla por las enseñanzas brindadas y
por ser el guía de este proyecto.
Un agradecimiento a mi familia quienes han sido mi apoyo durante cada
prueba de la vida.
A todo el personal de laboratorios de ingeniería mecánica por su
colaboración y un reconocimiento especial para Omar rodríguez por su
Contenido
Capitulo 1: Marco general
Resumen………5
Introducción………5
Objetivos………..6
Capitulo 2: Pruebas al sistema inicial
Manufactura y ensamblaje del montaje de pruebas……….7
Resultados de rendimiento del sistema de pico-generación inicial………...9
Capitulo 3: Selección de un nuevo generador
Caracterización de los motores eléctricos en su funcionamiento normal………16
Caracterización de los motores eléctricos en funcionamiento como
generador………..20
Capitulo 4: Pruebas al sistema final
Resultados de rendimiento del sistema de pico-generación final………23
Validación del sistema de pico-generación final………26
Capitulo 5: Turbina hidráulica
Rendimiento de la turbina hidráulica……….27
Capitulo 6: Dispositivo de pico-generación en aplicaciones
Dispositivo de pico-generación final en aplicación de iluminación………..28
Dispositivo de pico-generación final en aplicación de carga de batería de teléfono
celular………..31
Capitulo 7: Cierre del proyecto
Conclusiones………34
Recomendaciones………34
Capitulo 1: Marco general
Resumen.
El proyecto de grado consignado en este documento representa un avance investigativo y experimental de un sistema de pico-generación eléctrico creado previamente por el estudiante Juan Camilo Sierra en su Tesis de pregrado (Sierra, 2013). Un sistema de pico-generación eléctrico es entendido como un conjunto capaz de aprovechar la energía hidráulica presente en afluentes hídricos pequeños y transformarla en energía eléctrica útil para cierta variedad de aplicaciones. El sistema está conformado, básicamente, por los siguientes elementos: una turbina axial tubular de 2 pulgadas de diámetro nominal, un motor eléctrico de corriente directa funcionando como generador, un eje de transmisión entre la turbina y el generador y un codo de PVC.
La primera parte del proyecto consistió en realizar las pruebas de rendimiento al sistema de pico-generación que fue diseñado y creado en el proyecto de grado previo. Para lograr esto fue necesario la manufactura y ensamble de un banco de pruebas adecuado con el fin de medir todas las variables que caracterizan el desempeño de dicho sistema. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, se propuso el cambio del generador eléctrico actual con el fin de optimizar el rendimiento. Para esto se probaron algunos motores eléctricos en funcionamiento normal y en funcionamiento como generador eléctrico y se seleccionó el más adecuado para la aplicación. Posteriormente, se tomaron los resultados de rendimiento del sistema con este nuevo generador implementado y se llego a la conclusión de que este mejora notablemente los resultados del sistema de pico-generación eléctrico pero que la turbina debe
ser optimizada con el fin de poder aprovechar mejor las características de este generador. La siguiente parte de este proyecto consistió en encontrar ciertas aplicaciones reales en las que puede ser utilizado el sistema y evaluar su rendimiento para estas, las aplicaciones escogidas fueron iluminación mediante focos LED de varias potencias y carga de la batería de un celular Nokia 1208. Finalmente, mediante el estudio realizado en este proyecto de grado se proponen diversos cambios que podrían ser realizados en este dispositivo con el fin de lograr su optimización e implementarlo a un nivel pre-industrial.
Introducción
La crisis energética es uno de los fenómenos que parece inminente en un futuro no muy lejano, por lo tanto, en la actualidad se hacen esfuerzos de todo tipo por tratar de encontrar nuevas formas de generación de energía y de modificar las actuales con el fin de hacerlas más eficientes. Una de las necesidades que se presentan actualmente es la generación de energía eléctrica a partir de sistemas de pequeña escala para aplicaciones en las que no se requieren robustas cantidades de esta y en las que las
fuentes de energía disponibles no son las más ventajosas. Algunas de las aplicaciones en las que pueden funcionar dichos sistemas es la iluminación de recintos o la carga de baterías para celulares y algunos ejemplos en los que las fuentes de energía son mínimas son las regiones marginadas del país en donde se tiene un buen potencial hidráulico, pero no se tienen los dispositivos para convertir la energía producida por los ríos, riachuelos o quebradas en energía útil para el uso de las personas, teniendo en cuenta lo dicho anteriormente, un dispositivo a pequeña escala que logre realizar dicha conversión de energía puede llegar a representar un beneficio claro para personas con dificultades económicas o que se encuentran en situaciones de aislamiento, por ejemplo, los soldados.
Los sistemas de pico-generación eléctricos son conocidos comúnmente y a nivel global como pico generadores hidráulicos y hacen parte del mercado de la pico-hidro energía. Este mercado es aquel que abarca La producción de energía eléctrica que no supera los 5 kW de potencia de salida y que funciona con cabezas hidráulicas pequeñas menores a los 15 metros por medio de turbinas hidráulicas y generadores eléctricos. (Universidad Nacional de Colombia, 2011)
Es de vital importancia recordar que los resultados de rendimiento de los sistemas evaluados en este proyecto fueron condicionados por las capacidades de operación del laboratorio de dinámica de fluidos de la Universidad de Los Andes y por los equipos de medición disponibles en este.
Objetivos:
Con el fin de indicar los objetivos, a continuación, se muestra una ilustración de la unidad de pico-generación y otra con los parámetros de interés que se tomaron en cuenta para caracterizar el rendimiento de esta:
Ilustración 2.Parámetros de rendimiento del sistema
Objetivo General:
Evaluar el rendimiento de un sistema de pico-generación eléctrico en función de diferentes valores de parámetros requeridos.
Objetivos Específicos
:
• Establecer relaciones entre los parámetros globales y los parámetros internos del sistema.
• Identificar y evaluar el uso del sistema en varias aplicaciones reales.
• Concluir acerca de los posibles cambios o modificaciones a realizar con el fin de optimizar en un futuro el sistema y de implementarlo a nivel pre-industrial.
Capitulo 2: Pruebas al sistema inicial
Manufactura y ensamble del montaje de pruebas:
Se adecuó un montaje acorde con las restricciones de espacio y de instrumentación del laboratorio de dinámica de fluidos de ingeniería mecánica.
En la primera parte del proyecto se logró implementar el montaje mostrado en la ilustración 3, sin embargo, al comenzar con la realización de las pruebas fueron notables los problemas de vibración presentes a lo largo de la tubería que afectaban el funcionamiento del sistema de pico generación. Teniendo en cuenta lo anterior, haciendo uso de varillas roscadas de acero de ¼” y de contratuercas se ancló al tanque de pruebas un perfil troquelado de acero galvanizado que sirvió para dar apoyo a la tubería de PVC y tratar de disminuir un poco las vibraciones en el montaje. En el momento en que se puso en funcionamiento la unidad con esta nueva adición fue evidente que las vibraciones habían disminuido pero todavía afectaban notoriamente al sistema, por lo que se implementaron al sistema un perfil en L de acero laminado y un soporte en acero para el generador; con estas adiciones las vibraciones se redujeron al mínimo , por lo que se consideró que este montaje era el adecuado para
realizar la evaluación del rendimiento de la unidad de pico generación eléctrica. En la ilustración 4 es posible apreciar el montaje final de pruebas utilizado para este proyecto.
Medición de parámetros:
En la ilustración 5 se muestran, en detalle, los instrumentos utilizados para la medición, mientras, que la tabla 1 muestra los diferentes parámetros que se pueden obtener con cada uno de ellos. Cabe anotar que en el anexo de este documento se pueden apreciar, en detalle, las fichas técnicas
respectivas.
Ilustración 5. Instrumentos de medición
Tabla 1.Instrumentos y variable a medir
En la siguiente ilustración, se muestra la disposición de cada uno de estos instrumentos dentro del montaje utilizado y se indican las variables de medición. Por otro lado, cabe indicar que el agua utilizada durante las mediciones era recogida por el tanque y recirculada mediante una bomba centrífuga, ambos, componentes pueden ser apreciados en la imagen. Las especificaciones técnicas de dicha bomba centrifuga pueden ser consultadas en el anexo.
Ilustración 6.Variables, componentes y instrumentos de medición en el montaje
Resultados de rendimiento del sistema de pico-generación inicial:
Las relaciones fueron obtenidas para aproximadamente 10 valores de resistencia entre 0.3 Ω y 220 Ω. En el presente documento solo se mostraran los resultados con las cargas eléctricas donde la información obtenida es significativa para los objetivos de la investigación. Las incertidumbres mostradas a lo largo de todo el documento corresponden al máximo valor encontrado para esa variable en esa prueba.
Instrumento Variable a medir
Tacómetro Velocidad angular en el eje (ω)
Diferencial de presión Caída de presión a través de la turbina(∆P)
Multímetro Corriente (I) y voltaje (V) producidos
Flujómetro Caudal en tubería(Q)
A partir del montaje de la ilustración 6 se obtuvieron relaciones de:
• Caudal vs velocidad angular.
• Caída de presión vs velocidad angular. • Potencia eléctrica producida vs velocidad
angular.
• Eficiencia en conversión de energía vs velocidad angular.
En función de diferentes cargas eléctricas conectadas a los terminales del generador, es decir, circuitos eléctricos con distintos valores de resistencias óhmicas.
Gráfica 1. Velocidad angular en función de caudal, sistema inicial.
De los resultados obtenidos se puede ver que la relación velocidad angular contra caudal es lineal, por otro lado, se observa que al aumentar la resistencia óhmica, la velocidad de giro para la mayor parte del rango de caudales es mayor, mientras, que al disminuir esta la velocidad de giro disminuye. Lo anterior, se explica en el hecho de que el par necesario para la rotación en el generador disminuye conforme se aumenta la resistencia y aumenta conforme se disminuye esta, si a este hecho se añade que la potencia mecánica de entrada está limitada por las capacidades de conversión de energía de la turbina hidráulica se llega a que el sistema puede funcionar con una resistencia baja en un rango de velocidades menor y más limitado que a una resistencia alta.
Cabe anotar que el valor inferior del rango de caudales para el cual son validas las relaciones de velocidad angular en función del caudal proviene de el caudal mínimo necesario para el cual el sistema de pico generación empezaba su rotación, mientras, que el valor superior del rango de caudales viene dado por el máximo caudal de entrada posible en el laboratorio; el caudal máximo de entrada medido fue de 5.5 litros por segundo.
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
1 2 3 4 5 6
Veloc
id
ad
an
gu
lar
±
0.1
R
PM
Caudal ± 0.001 (Litros/segundo) Velocidad angular vs Caudal: Sistema inicial
10 Ω 15Ω abierto 100Ω 35Ω 68Ω
Gráfica 2. Cabeza efectiva en función de la velocidad angular, sistema inicial.
De la gráfica 2 se puede ver qué relación entre la cabeza efectiva de la turbina y la velocidad angular es lineal y su pendiente va en aumento conforme se disminuye la resistencia óhmica, esto es acorde con lo comentado en la sección anterior ya que al disminuir la resistencia el par necesario para que el generador rote es mayor y la alta perdida de energía en el fluido debido a esta resistencia al
movimiento se ve reflejada en una alta caída de presión. Por otro lado, la altura o carga disponible con este montaje era de 1.52 m, por lo que en el mejor de los casos la máxima cabeza efectiva que el dispositivo pudo utilizar fue de alrededor del 66% de la total disponible. Finalmente, se debe recordar que la cabeza efectiva mostrada en la grafica anterior se refiere a aquella carga que junto a un caudal de entrada genera una potencia hidráulica disponible, así que no indica nada sobre cuanta potencia útil produjo la turbina hidráulica o el generador.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
500 1500 2500 3500 4500
Cab
e
za
e
fec
tiv
a
d
e
la
tu
rb
in
a
±
0.0
1
m
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Cabeza efectiva vs Velocidad angular: Sistema inicial
10Ω 15Ω 100Ω 35Ω 68Ω
Cabeza efectiva=
Gráfica 3. Potencia eléctrica en función de la velocidad angular, sistema inicial
De la grafica anterior, se puede ver que el pico de generación eléctrica con el generador inicial era de alrededor de 12 Watts con una carga eléctrica optima de 10 ohmios. Para cargas mayores a este valor la generación de potencia eléctrica decae, este hecho se ve sustentado en que el generador empieza a disminuir la capacidad de producción de corriente eléctrica ya que la impedancia del circuito es mayor y se acerca cada vez más a la condición de circuito abierto donde el voltaje es máximo, la resistencia infinita y la corriente es cero. Por otro lado, aunque no se muestra en el grafico para cargas eléctricas menores a 10 ohmios la generación de potencia eléctrica también decae, debido a que al disminuir la impedancia del circuito la caída de voltaje se hace menor y se acerca cada vez a la condición de corto circuito, donde la corriente es máxima, la resistencia es cero y la caída de voltaje es cero; por lo tanto, la generación de potencia eléctrica en este tipo de hidrogeneradores tiene una carga eléctrica optima.
Finalmente, cabe decir que la relación cuadrática que tiene la potencia eléctrica en función de la velocidad angular se obtiene debido a que tanto la corriente como el voltaje son funciones lineales de dicha velocidad. (Sierra, 2013)
0 2 4 6 8 10 12
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Pot
enci
a
el
é
ct
ric
a
±
0
.0
1
1
W
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Potencia eléctrica vs Velocidad angular: Sistema inicial
10 Ω 100Ω 15Ω 35Ω 68Ω
Gráfica 4.Eficiencia global en función de la velocidad angular, sistema inicial
La grafica 4 muestra que aunque el pico de generación eléctrica se dio a una carga eléctrica de 10 ohmios, la máxima eficiencia en conversión de energía global se da en 15 ohmios con un valor pico de 28%, esto se debe a que dicha eficiencia depende tanto de la eficiencia del generador como de la eficiencia de la turbina y como se podrá observar en las siguientes dos graficas el punto de mejor eficiencia para estos dispositivos se da a una carga eléctrica diferente.
En la gráfica 5 se pueden ver las tendencias experimentales obtenidas para la eficiencia del generador en función de la velocidad angular, los resultados obtenidos se logran aproximar a la tendencia lineal creciente teórica que se tiene para este tipo de generadores (Gulliver & Arndt, 1991). La carga eléctrica a la que se obtuvo la máxima eficiencia en conversión de energía para el generador inicial fue de 15 ohmios y tiene un valor aproximado al 83%.
0 5 10 15 20 25 30 35
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
η
±
0.9
%
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Eficiencia global vs velocidad angular:Sistema inicial
10 Ω 100 Ω 15Ω 35Ω 68Ω
Otros términos ya fueron definidos.
Eficiencia global (η):
Gráfica 5. Eficiencia del generador en función de la velocidad angular, sistema inicial
Gráfica 6. Eficiencia de la turbina en función de la velocidad angular, sistema inicial
Las características de rendimiento de la turbina serán mostradas en detalle posteriormente en este documento. Para el sistema funcionando con el generador inicial la máxima eficiencia en conversión de
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 1000 2000 3000 4000
ηG
(%
)
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Eficiencia del generador vsVelocidad angular:Sistema inicial
10Ω 15Ω 100Ω 35Ω 68Ω
0 10 20 30 40 50 60
0 1000 2000 3000 4000
ηt
(
%)
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Eficiencia de la turbina vsVelocidad angular:Sistema inicial
10Ω 15Ω 100Ω 35Ω 68Ω
Otros términos ya fueron definidos.
Eficiencia generador (ηG):
Eficiencia turbina (ηt):
(Beaty & Kirtley, 2000)
energía de la turbina se obtuvo con una carga de 10 ohmios y tiene un valor de aproximadamente 53 %, las eficiencias obtenidas en la turbina a una misma carga eléctrica para los sistema inicial y final no son directamente comparables ya que como se verá posteriormente cada generador hace que la turbina trabaje en un rango de funcionamiento dado y las características de rendimiento dependen de este.
Capitulo 3: Selección de un nuevo generador
A continuación se muestra la ficha técnica y una imagen del motor eléctrico usado como generador que tenía el sistema de pico-generación inicialmente.
Ilustración 7.Motor eléctrico inicial usado como generador
Se caracterizaron varios motores eléctricos en su funcionamiento como motor y como generador. A continuación, se muestran los motores que presentaron el mejor desempeño en su funcionamiento como generadores eléctricos (junto con sus respectivas fichas técnicas) y de los cuales se seleccionó uno para remplazar al inicial. El criterio de selección de mejor desempeño para este proyecto se basó en el hecho de buscar el generador eléctrico que produjera la mayor potencia eléctrica a la menor velocidad angular en el eje y en la máxima eficiencia en conversión de energía posible.
Dat
o
s n
o
m
in
ale
s Tipo de motor DC, imanes permanentes y escobillas.
Marca Nisca
Serie NC5475B
Voltaje 24
Potencia nominal[W]
20.5
En
máxima
ef
ici
en
cia
Torque [Nm] 0.063
Velocidad [RPM]
2891
Potencia salida[W]
19.15
Eficiencia[%] 71.1
Ilustración 8.Motores de mejor desempeño
Motor 1 Motor 2
d
ato
s n
o
m
in
ales Tipo de motor
Servo- DC, imanes permanentes y escobillas.
Servo-DC, imanes permanentes y escobillas.
Marca Yaskawa electric corporation Yaskawa electric corporation
Serie MINERTIA MOTOR F MINERTIA MOTOR F
No. Modelo A9EEN2 FB9M20E
Voltaje 24 24
Potencia nominal[W] 19.5 20
Máxima Eficiencia[%] 65 66
Tabla 3.Referencias y datos técnicos de los motores suministrados por proveedor
Caracterización de motores eléctricos como motores:
Con el fin de realizar la caracterización de los motores eléctricos en su funcionamiento normal, se hizo uso de un freno dinamométrico tipo prony. Por medio de este dispositivo, fue posible conocer el torque que se estaba produciendo en el eje del motor, de acuerdo, a la potencia eléctrica que se tenía en la entrada y que era entregada por una fuente de alimentación. Por otro lado, para conocer la potencia mecánica a la salida fue necesaria la medición de la velocidad angular del eje con la que se estaba produciendo dicho torque y que era constante cuando se alcanzaba el equilibrio dinámico. A continuación se muestra el montaje utilizado para la realización de esta parte del proyecto.
Ilustración 9 y 10 .Vista frontal y lateral prueba de motores eléctricos en funcionamiento normal
Principio de funcionamiento del freno prony:
Para esta sección se asigna la siguiente nomenclatura:
De acuerdo a lo postulado por Jean d’Alembert sobre el equilibrio dinámico (Goldstein, 1987), la siguiente ecuación se cumple al analizar la masa en rotación:
De la anterior ecuación se puede ver que en el momento en que o en otras palabras que la velocidad angular de la masa en rotación sea constante, se tiene que:
Por lo tanto, el torque que se está produciendo en el eje y que debe ser medido es el mismo que el freno le aplica a la polea, en el momento en que la velocidad angular de la masa en rotación alcanza un valor estable
.
Resultados:
Se alimentaron los motores a un voltaje constante, en donde la fuente regulaba los requerimientos de carga del motor aumentando o disminuyendo la corriente de entrada. Se tomaron resultados de torque, eficiencia en conversión de energía y potencia mecánica producida en función de la velocidad angular. Los voltajes usados en la alimentación estuvieron en un rango de 10 a 40 Voltios y se realizo el proceso para aproximadamente 6 voltajes. A continuación se muestran los resultados obtenidos para los voltajes de alimentación de 20 y 24 V, para los motores eléctricos 1 y 2.
Grafica 7. Torque en función de velocidad angular, motor 1 Grafica 8. Torque en función de velocidad angular, motor 2
Gráfica 9. Potencia mecánica vs velocidad angular, motor 1 Gráfica 10. Potencia mecánica vs velocidad angular, motor 2
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0 1000 2000
To rq u e ± 0.0 02 N m
Velocidad angular ± 0.1 RPM Torque vs Velocidad angular:motor 2
20 V 24 V 0 4 8 12 16 20
0 500 1000 1500 2000
Pot e n ci a m e cán ic a ± 2.4 W
Velocidad angular ± 0.1 RPM Potencia mecánica vs Velocidad
angular:motor 2
20 V 24 V 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
0 1000 2000 3000
To rq u e ± 0.0 04 N m
Velocidad angular ± 0.1 RPM Torque vs Velocidad angular:motor 1
20 V 24V 0 5 10 15 20 25
0 500 1000 1500 2000 2500
Pot e n ci a m e cán ic a ± 5.3 W
Velocidad angular ± 0.1 RPM Potencia mecánica vs Velocidad
angular:motor1
20 V
24 V
Grafica 11. Eficiencia vs velocidad angular, motor 1 Gráfica 12. Eficiencia vs velocidad angular, motor2
De las graficas 7 y 8 se puede ver que el torque máximo en ambos motores se obtiene a velocidad angular cero y disminuye linealmente en función de la velocidad angular hasta la que se llega a la condición de desboque donde el motor gira sin ninguna restricción de carga, el torque es cero y la velocidad angular es máxima; en los dos puntos indicados anteriormente la potencia mecánica entregada por el eje del motor es cero. Teniendo en cuenta que el torque tiene una relación inversa con la velocidad angular, existe un punto donde el producto de estas dos variables es máximo y es allí en donde se tiene la potencia nominal o potencia máxima que puede entregar el motor (Beaty & Kirtley, 2000), para ambos motores se obtuvo que la velocidad angular con la que se obtiene dicha potencia es de aproximadamente 60 % de la velocidad nominal y el torque, conocido como torque nominal, es de aproximadamente el 33% del torque máximo o de arranque.
El comportamiento de ambos motores es bastante similar, sin embargo, la velocidad de desboque para el motor número 1 es un poco mayor, este hecho sumado a que el par de arranque es muy similar al del motor 2 da como resultado que el motor 1 tenga su pico de generación de potencia mecánica en un valor un poco mayor al de este ultimo. Para el voltaje de alimentación de 24 V, La potencia
mecánica máxima encontrada para el motor 1 fue de aproximadamente 21 Watts, mientras, que en el motor 2 fue aproximadamente 18 watts. La eficiencia máxima en conversión de energía, para ambos casos, fue de aproximadamente 53%.
Los resultados obtenidos en la caracterización de los motores eléctricos en su funcionamiento normal fueron utilizados en el procedimiento realizado en la siguiente sección de este proyecto, por otro lado, es importante conocer el comportamiento real de cada uno de los motores eléctricos ya que
0 10 20 30 40 50 60
0 500 1000 1500 2000 2500
η
±
1.
5
%
Velocidad angular ± 0.1 RPM Eficiencia vs Velocidad angular : motor 1
24 V
20 V
η=Tω/VI
0 10 20 30 40 50 60
0 500 1000 1500 2000 2500
η
±
1.2
1
%
Velocidad angular ± 0.1 RPM Eficiencia vs Velocidad angular : motor 2
20 V
como se pudo comprobar con los resultados obtenidos los valores característicos nominales obtenidos por la experimentación, son algo diferentes a los reportados por el fabricante.
Caracterización de motores eléctricos como generadores:
Con el fin de realizar la caracterización de los motores eléctricos como generadores se realizó un acople donde uno de los motores era conectado a la fuente de alimentación, funcionando como motor, mientras que los terminales del otro motor fueron conectados a un circuito resistivo de
resistencias óhmicas de valores entre 0.3 Ω hasta 220 Ω, funcionando como generador. Teniendo en cuenta que se había realizado la caracterización de los motores eléctricos en funcionamiento y que mediante la fuente se conocía la potencia eléctrica de entrada al motor, fue posible encontrar la potencia mecánica que se le estaba entregando al generador según la potencia eléctrica que este estaba generando para cada carga eléctrica. Los resultados de este procedimiento fueron utilizados para encontrar la potencia mecánica que la turbina le estaba entregando al generador en las pruebas de rendimiento de el sistema de pico generación eléctrica. A continuación se muestra el montaje utilizado para la realización de esta parte del proyecto.
Ilustración 11.Prueba de motores eléctricos en su funcionamiento como generadores
Resultados:
El motor eléctrico inicial fue probado en su funcionamiento como generador únicamente para
potencias mecánicas de entrada bajas, ya que producto del desgaste al cual ha sido sometido durante proyectos anteriores presenta cierto desalineamiento en el eje de transmisión. El desalineamiento desencadena en fuertes vibraciones que pueden producir daños estructurales cuando la potencia mecánica de entrada es muy alta. Es importante resaltar que aunque los resultados obtenidos para el generador inicial se dieron a potencias mecánicas de entrada relativamente bajas, las relaciones obtenidas reflejan una clara tendencia que fue utilizada para realizar una predicción de los valores a potencias mecánicas mayores.
Gráfica 13. Potencia eléctrica vs velocidad angular, generador 1 Gráfica 14. Potencia eléctrica vs potencia mecánica, generador 1
Gráfica 15. Potencia eléctrica vs velocidad angular, generador 2 Gráfica 16. Potencia eléctrica vs potencia mecánica, generador 2
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 1000 2000 3000
P ot en cia e léc tr ica ± 0. 01 4 W
Velocidad angular ± 0.1 RPM motor 1 como generador
0.3 Ω 10Ω 35Ω 7.33 Ω 0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 20 40 60
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± ± 0.0 14 W
Potencia mecánica entrada ± 3.85 W Motor 1 como generador
0.3Ω 10Ω 35Ω 7.33Ω 0 5 10 15 20 25 30 35
0 1000 2000 3000
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.0 16 W
Velocidad angular ± 0.1 RPM Motor 2 como generador
0.3 Ω 10 Ω 35 Ω 7.33 Ω 0 5 10 15 20 25 30 35
0 20 40 60
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.0 16 W
Potencia mecánica entrada ± 3.25 W Motor 2 como generador
10Ω
35Ω
7.33 Ω
0.3 Ω
Gráfica 17. Potencia eléctrica vs velocidad angular, generador inicial Gráfica 18. Potencia eléctrica vs velocidad angular, generador inicial
Con el fin de analizar los resultados obtenidos se debe hacer una comparación de la potencia eléctrica máxima producida por cada uno de los generadores a una misma potencia mecánica de entrada, dado que la potencia mecánica en la entrada estaba limitada por las capacidades del motor y que como se vio en la sección anterior depende del voltaje de alimentación y de la velocidad de rotación. Este ultimo hecho se ve reflejado en que, por ejemplo, para la caracterización del motor número 1 como generador, el motor que se tenía impulsándolo no tuvo la capacidad de entregar 40 Watts de potencia mecánica a la entrada cuando se tenía una carga eléctrica en el generador de 35 ohmios, pero si cuando se tenía una de 10 ohmios. Teniendo en cuenta lo anterior, la manera correcta de analizar estos resultados es suponer que la potencia mecánica a la entrada de los tres generadores fuera de unos 50 Watts (máximo que se obtuvo en la prueba) y ver cuanta potencia eléctrica se podría generar con la carga que es optima. De las graficas de potencial eléctrica vs potencia mecánica, se puede ver que para el generador 1 y 2 la carga optima fue de 35 ohmios, mientras, que para el inicial fue de 15 ohmios. Por otro lado, si se tuviera la máxima potencia mecánica de entrada que se tuvo en la prueba con cada uno de los generadores conectado a su carga optima; para el 1, el pico de generación eléctrica seria de alrededor de 37.46 Watts, para el 2 de alrededor de 45 Watts, mientras que para el generador inicial el pico seria de alrededor de 29.7 Watts.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos para esta sección, el generador 2 fue el elegido para ser implementando al sistema de pico generación. Por último, es pertinente indicar que los resultados anteriores se obtuvieron para todas las cargas eléctricas con las que se probaron los sistemas de pico generación eléctrica. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 5 10 15 20
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.0 1 W
Potencia Mecánica ± 0.25 W Motor inicial como generador
10Ω 15Ω 100Ω 0.3Ω 35Ω 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 500 1000 1500 2000
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.0 1 W
Velocidad angular ± 0.1 RPM Motor inicial como generador
10Ω
15Ω
100Ω
Capitulo 4: Pruebas al sistema final
Se acopló el nuevo generador seleccionado y se obtuvieron las relaciones que caracterizan el
rendimiento de la unidad. Como se verá a continuación, la mayoría de las tendencias encontradas para el sistema de pico generación inicial en función de la carga eléctrica se repiten para esta segunda prueba de rendimiento.
Resultados de rendimiento del sistema de pico-generación final:
Gráfica 19. Velocidad angular en función de caudal, sistema final.
Se puede observar ver que todas las tendencias que habían sido encontradas a través del análisis de resultados de la relación velocidad angular en función de caudal para el sistema de pico generación inicial, se repiten para este segundo sistema, sin embargo, es importante resaltar que el valor de las velocidades angulares con que funciona la unidad para una misma carga eléctrica ha sido disminuido con la implementación de este nuevo generador, esto se debe a que el comportamiento característico de este ultimo dispositivo demanda una mayor entrada de momento par que el generador inicial.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
2 3 4 5 6
Veloc
id
ad
an
gu
lar
±
0.1
R
PM
Caudal ± 0.001 (Litros/segundo) Velocidad angular vs Caudal:Sistema final
10Ω
15Ω
100Ω
abierto
35Ω
Gráfica 20. Cabeza de la turbina en función de caudal, sistema final
La cabeza efectiva de la turbina para una misma carga eléctrica aumentó con la implementación del nuevo generador ya que como se dijo anteriormente el momento par necesario para la rotación en el eje se aumentó y debido a esta alta resistencia al movimiento, el fluido pierde una mayor parte de su energía y refleja esto en una mayor caída de presión. Para este caso la mayor cabeza efectiva en relación a la cabeza disponible fue de aproximadamente el 80%.
Gráfica 21. Potencia eléctrica en función de caudal, sistema final.
Las tendencias comentadas para la relación potencia eléctrica en función de velocidad angular se repiten para este segundo sistema, sin embargo, en este caso el pico de generación eléctrica se encuentra con una carga de 35 ohmios, con un valor pico de potencia eléctrica de 18 Watts aproximadamente. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Cab e za e fec tiv a d e la tu rb in a ± 0.0 1 m
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Cabeza efectiva vs Velocidad angular: Sistema final
10Ω 15Ω 100Ω 35Ω 68Ω 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 1000 2000 3000
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.019 W
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Potencia eléctrica vs Velocidad angular:Sistema final
10Ω
15Ω
100Ω
35Ω
Gráfica 22. Eficiencia global en función de caudal, sistema final.
La eficiencia global máxima del sistema final se dio con una carga eléctrica de 35 ohmios y tuvo un valor pico aproximadamente igual al del sistema inicial. De las siguientes dos graficas se puede
observar que a esta carga eléctrica también ocurre la máxima eficiencia en conversión de energía para el generador y una de las más altas para la turbina, sin embargo, el bajo valor en la eficiencia máxima de conversión de energía global se debe a la baja eficiencia de la turbina, ya que como se puede apreciar la eficiencia del generador para este es de aproximadamente un 90%, mientras, que la de la turbina es de un 32%.
Gráfica 23. Eficiencia del generador en función de caudal, sistema final.
0 5 10 15 20 25 30 35
0 1000 2000 3000
η
±
1.8
%
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Eficiencia global vs Velocidad angular:Sistema final
10Ω
15Ω
100Ω
35Ω
68Ω
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1000 2000 3000
ηG
(%
)
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Eficiencia del generador vsVelocidad angular: Sistema final
10Ω
15Ω
100Ω
35Ω
Gráfica 24. Eficiencia de la turbina en función de caudal, sistema final.
Validación del sistema final:
Los resultados de rendimiento muestran que la implementación del generador al sistema de pico generación tiene un impacto positivo en la generación de potencia eléctrica, la comparación de cada una de las variables características obtenidas en el rendimiento se hizo anteriormente, por lo que esta sección del reporte se limita a mostrar una grafica que valida la implementación realizada al sistema de pico generación eléctrico que se tenía inicialmente. Cabe recordar que el pico de generación eléctrica para cada carga se dio al máximo caudal de entrada que fue alrededor de 5.5 litros por segundo, por lo que los resultados mostrados a continuación se dan para un mismo caudal de entrada
.
Gráfica 25.Potencia eléctrica máxima para cada carga, sistema final vs sistema inicial.
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 1000 2000
ηT
(%
)
Velocidad angular ± 0.1 RPM
Eficiencia de la turbina vs Velocidad angular : Sistema final
10Ω
15Ω
100Ω
35Ω
68Ω
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Pot
e
n
ci
a
e
lé
ctr
ic
a
±
0.0
19
W
Resistencia de carga ± 0.1 Ω
Máxima potencia eléctrica para cada carga en ambos sistemas
G.Inicial
G.Final Resultados a caudal máximo de entrada
Como se puede ver en la grafica anterior, la potencia eléctrica generada por el sistema de pico
generación eléctrico con la implementación del nuevo generador es mayor para la gran mayoría de las resistencias de carga, por lo que mediante este se logra optimizar el rendimiento de la unidad.
Capitulo 5: Turbina hidráulica
Rendimiento de la turbina hidráulica:
El rendimiento de una turbina hidráulica se da, por lo general, en términos de algunos coeficientes adimensionales que son función de las variables caudal, cabeza efectiva de la turbina, torque y
velocidad angular (Plata Uribe, 2012). En adición, dichos coeficientes son proporcionales a expresiones más sencillas conocidas como parámetros unitarios
:
Coeficiente de velocidad proporcional a velocidad unitaria:
Coeficiente de potencia proporcional a potencia unitaria:
Coeficiente de momento par proporcional a torque unitario:
Coeficiente de descarga proporcional a caudal unitario:
Si se combinan los parámetros anteriores se obtiene,
A continuación, se muestran las relaciones obtenidas entre estos distintos parámetros que caracterizan el rendimiento de la turbina utilizada en este proyecto:
Gráfica 26. Torque unitario vs velocidadunitaria
Grafica 27. Potencia unitaria vs velocidad unitaria
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
0 150 300 450 600 750
T
un
uTorque vs Velocidad, unitarios
0 5 10 15 20 25 30 35
0 150 300 450
P
un
uGráfica 28. Eficiencia vs velocidad unitaria, turbina Gráfica 29. Caudal unitario vs velocidad unitaria, turbina
Se pudo apreciar al obtener los datos de rendimiento de la turbina, que el generador inicial forzaba a la turbina a trabajar a velocidades unitarias altas, mientras, que el generador final a bajas.
Capitulo 6: Dispositivo de pico-generación en aplicaciones
Dispositivo de pico – generación en aplicación de iluminación:
Se probó el sistema encendiendo bombillas LEDS de 1,5 y 6 watts de potencia eléctrica nominal. Para cada una de estas se obtuvieron graficas de potencia eléctrica en función del caudal de entrada, desde el momento en que el LED encendía hasta un punto donde la entrada de potencia eléctrica era un poco mayor a la potencia nominal. El caudal de optimo funcionamiento en la entrada se da cuando el
hidrogenerador le entrega la potencia eléctrica nominal al LED ya que con potencias menores la iluminación no es uniforme, mientras, que potencias mayores se supera la capacidad de disipación potencia y el componente se puede dañar. Adicionalmente, para los componentes de 5 y 6 Watts se presenta el resultado de la potencia luminosa producida, haciendo uso de los resultados obtenidos en el proyecto experimento para determinar la luminosidad de cuatro bombillas LED realizado por el estudiante Mark Goudswaard (Goudswaard, 2014).
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009
0 150 300 450 600
Q
un
uCaudal vs Velocidad, unitarios
0 10 20 30 40 50 60
0 200 400 600 800
η
T
(%
)
n
uIlustración 12.Dispositivo de pico generación en aplicación de iluminación
LED de 1 Watt:
Gráfica 30. Potencia eléctrica vs caudal, LED 1 W. Gráfica 31. Potencia eléctrica vs Potencia hidráulica, LED 1 W.
Se puede ver de las graficas que los parámetros de entrada obtenidos para un optimo funcionamiento del dispositivo con esta bombilla, son un caudal aproximado de 3.25 litros por segundo y una potencia hidráulica de alrededor de 12 Watts, en consecuencia, la cabeza efectiva en la turbina obtenida para ese punto fue de 0.37 metros; teniendo en cuenta, los resultados obtenidos en este proyecto se puede concluir que es una cabeza bastante baja.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2
Pot
e
n
ci
a
e
lé
ctr
ic
a
±
0.0
06
W
Caudal ± 0.001 (Litros /segundo) Potencia eléctrica en función de caudal
LED 1 Watt
Caudal optimo
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
0 5 10 15 20
Pot
e
n
ci
a
e
lé
ctr
ic
a
±
0.0
06
W
Potencia Hidráulica ± 1.6 W Potencia eléctrica vs Potencia hidráulica
LED 1 Watt
Potencia hidráulica optima
LED de 5 Watts:
Gráfica 32. Potencia eléctrica vs caudal, LED 5 W. Gráfica 33. Potencia eléctrica vs Potencia hidráulica, LED 5 W
Para este caso los parámetros de entrada obtenidos para un optimo funcionamiento del dispositivo, son un caudal 4.6 litros por segundo y una potencia hidráulica de alrededor de 31 Watts, en
consecuencia, la cabeza efectiva en este caso fue de 0.68 metros. Por otro, lado se puede ver que la luminosidad obtenida para ese punto es de alrededor de 375 lúmenes, en comparación, con los 460 lúmenes nominales reportados por el fabricante (lumilife, 2014)
LED de 6 Watts:
Gráfica 34. Potencia eléctrica vs caudal, LED 6 W. Gráfica 35. Potencia eléctrica vs Potencia hidráulica, LED 6 W
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 1 2 3 4 5 6
3 3.3 3.6 3.9 4.2 4.5 4.8
Lu m in o si d ad (Lú m e n e s) P ot en cia el éc tr ica ± 0. 00 9 W
Caudal ± 0.001 ( Litros/Segundo) Potencia eléctrica y luminosidad en función
del caudal LED 5 Watts
Potencia electrica luminosidad Caudal optimo 0 1 2 3 4 5 6
0 10 20 30 40
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.0 09 W
Potencia hidráulica ± 2.1 W Potencia eléctrica vs Potencia Hidraulica
LED5 Watts
Potencia hidráulica optima
0 100 200 300 400 500 600 0 1 2 3 4 5 6 7 8
2.7 3.2 3.7 4.2 4.7 5.2 5.7
Lu m in o si d ad (Lú m e n e s) Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.0 1 W
Caudal de entrada ± 0.001 (Litros/Segundo) Potencia eléctrica y luminosidad
LED 6 Watts
Potencia eléctrica Luminosidad Caudal optimo 0 1 2 3 4 5 6 7 8
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
Pot e n ci a e lé ctr ic a ± 0.0 1 W
Potencia Hidráulica ± 2.4 W Potencia eléctrica vs Potencia Hidráulica
LED 6 Watts
Para este último caso, los valores óptimos fueron un caudal de aproximadamente 5.2 litros por segundo y una potencia hidráulica cercana a los 45 Watts, en consecuencia, la cabeza efectiva para este caso fue de 0.88 metros. La luminosidad obtenida para este punto fue de 475 lúmenes, en comparación, con los 500 lúmenes nominales reportados por el fabricante (lumilife, 2014).
Con el fin de contextualizar los resultados obtenidos en esta sección, la luminosidad producida por una bombilla incandescente de 40 Watts está entre 410-430 lúmenes (EUROPEAN COMMISION, 2014) , Por lo que el nivel de iluminación logrado con el sistema de pico generación eléctrico haciendo uso de los bombillos LED es realmente bueno y tiene un bajo consumo eléctrico.
Finalmente, es pertinente indicar que la carga eléctrica que impone un bombillo LED no es fija, por lo que los resultados de rendimiento del sistema de pico generación eléctrico en función de cargas resistivas fijas que fueron obtenidos en secciones anteriores del proyecto no son directamente
aplicables a la iluminación de bombillas LED; para conocer la carga eléctrica que impone una bombilla LED se recomienda revisar las características resistivas de un diodo.
Dispositivo de pico-generación en aplicación de carga de la batería de un celular:
Para esta última parte se realizó la carga de la batería de un celular Nokia 1208. La batería de este teléfono celular es de ion-litio y tiene una capacidad nominal de 2.59 Wh (3.7 V - 0.7 Ah).
El primer paso que se realizó para esta parte del proyecto fue medir la resistencia del conjunto celular-batería haciendo uso de un cable de cargador simple. El valor de la resistencia obtenida fue de 3542 ohmios, por lo tanto, si se hubiera realizado la conexión de este celular directamente al generador, la potencia eléctrica entregada por la unidad de pico generación habría sido prácticamente nula, ya que se tendría una situación muy cercana al circuito abierto. El resultado obtenido para este primer paso, llevó a la conclusión de que era adecuada la implementación de una carga eléctrica conocida al sistema (R1) en paralelo con la carga eléctrica del celular, ya que de este de modo se conocía la resistencia equivalente del circuito y se podía hacer uso de los resultados de rendimiento para hacer una predicción de la potencia eléctrica que iba a ser entregada por el generador a dicha resistencia y al celular. A continuación, se muestra un esquema básico de la situación descrita anteriormente.
Ilustración 13.Esquema de arreglo de resistencias
*El circuito equivalente mostrado, debería incluir la resistencia del generador, sin embargo, los resultados de este proyecto han sido dados en términos de la resistencia que se le imponía ya que la resistencia de este permanece prácticamente inalterada.
El valor escogido para R1 fue de 7.33 ohmios, se obtuvo teniendo en cuenta las capacidades de rendimiento de la unidad de pico generación y que lo más adecuado era realizar la carga del celular usando valores de corriente y voltaje que fueran lo más cercano posible a los usados por el cargador del celular. El cargador original de este celular es un cargador de tipo simple, es decir, que entrega un voltaje y una corriente de carga constantes al dispositivo y que no tiene en cuenta el nivel de carga que ya tiene la batería;El cargador entrega 300mA y 5V al celular, Por lo tanto, la potencia eléctrica que usa para cargar el celular es de 1.5 Watts.
Ilustración 14.Dispositivo de pico generación en aplicación de carga de celular
A continuación, se muestran los resultados de potencia hidráulica, voltaje de carga, corriente de carga y potencia de carga, para el rango de caudales de entrada en los cuales el celular cargaba, sin embargo, de la misma manera que con la aplicación de los bombillos es de mayor interés el punto en donde se tiene las condiciones optimas de funcionamiento.
Q (L/S) P.hidráulica (W) Voltaje (V) Corriente (A) Potencia carga(W)
4.95 43.313 4.1 0.091 0.372
5 43.150 4.076 0.126 0.513
4.57 32.036 3.9 0.028 0.109
4.84 41.285 4.036 0.095 0.385
5.1 47.005 4.149 0.138 0.571
5.3 52.374 4.246 0.178 0.754
Optimo 5.5 57.744 4.344 0.218 0.946
Gráfica 36. Potencia de carga vs Potencia hidráulica Gráfica 37. Potencia de carga vs caudal
De los resultados anteriores, se puede ver que el caudal optimo de carga es el máximo que se puede obtener en las condiciones del laboratorio, es decir, 5.5 litros por segundo; para este caudal se tiene una potencia de carga de 0.94 Watts y una potencia hidráulica a la entrada 57.74 Watts, Las
condiciones óptimas nombradas anteriormente se dan únicamente con el arreglo realizado, ya que claramente estos valores dependen del valor de la resistencia R1. Por otro lado, se recuerda que la función de la resistencia R1 es disipar la mayor parte de la potencia eléctrica que proviene del sistema, ya que la potencia necesaria para realizar la carga es muy baja y la dificultad más grande de este arreglo eléctrico no es suministrar esta potencia sino lograr que se tenga la combinación adecuada de voltaje y de corriente. Lo dicho anteriormente se comprobó al probar el sistema con otro arreglo: para ese caso el sistema le entregaba al celular alrededor de 0.8 Watts de potencia eléctrica, que como se puede ver en la tabla 4 eran suficientes en teoría para que cargara, sin embargo, esto no sucedió por el hecho de que el voltaje era muy alto (9 V) alto y la corriente muy baja (0.08 A).
Como se ha dicho anteriormente, la capacidad nominal de esta batería es de 2.59 Wh ( 3.7 V ; 0.7 Ah) y es conocido que para las baterías ion-litio el 80% de esa capacidad se comporta (Linden & Reddy, 2002) linealmente con el tiempo de carga, Por lo tanto, según los resultados obtenidos este 80% de carga puede ser logrado mediante un caudal constante de 5.5 litros por segundo en 2.19 horas por el sistema de pico generación eléctrico, en comparación, haciendo uso del cargador este resultado se logra en 1.38 horas. Finalmente, la energía hidráulica que se utilizaría durante estas 2.19 horas seria de 126.45 Wh o 455.220 KJ.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
25 35 45 55 65
Pot e n ci a d e c ar ga ± 0.0 043 W
Potencia Hidráulica ± 4.23 W Potencia de carga celular vs Potencia
hidráulica
Potencia hidráulica optima
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
4.4 4.9 5.4 5.9
Pot e n ci a d e c ar ga ± 0.0 043 W
Caudal ± 0.001 (Litros/Segundo) Potencia de carga celular vs caudal
Capitulo 7: Cierre del proyecto
Conclusiones:
Los resultados obtenidos muestran que el punto de mejor operación para el generador eléctrico se da a una carga de 35 ohmios y a una velocidad angular de 2108 RPM, mientras, que el punto de mejor operación de la turbina se da a velocidades unitarias de aproximadamente 250 y 2500 RPM. Por otro lado, se obtuvo una máxima eficiencia global en el sistema de pico generación eléctrico final con una carga eléctrica de 35 ohmios, una velocidad de rotación de 2108 RPM y velocidades unitarias en la turbina cercanas de 200, por lo tanto, se concluye que con esta carga eléctrica el acople turbina-generador es realmente bueno ya que el turbina-generador trabaja en su punto de mejor operación y la turbina en un punto cercano a este.
Se demostró que el sistema de pico generación es adecuado en aplicaciones de uso real como
iluminación de recintos y carga de baterías de celulares, representando una alternativa en situaciones donde el acceso a energía eléctrica es mínimo.
Los resultados obtenidos demuestran que si se quiere trabajar en las condiciones de máxima eficiencia el sistema de pico generación debe ser diseñado para una única aplicación ya que la carga eléctrica afecta totalmente el rendimiento de este, por lo tanto, el primer paso en el diseño de un sistema de pico generación eléctrico debe ser la selección de la aplicación y la determinación de las características eléctricas de esta.
Los resultados más aproximados que se pueden llegar a obtener a los valores obtenidos en las pruebas de este proyecto se dan recreando montajes similares a los que se implementaron, sin embargo, el mayor aporte de este proyecto no son dichos valores, sino la presentación de las tendencias que se obtienen y que relacionan los parámetros globales e internos de un sistema de pico generación eléctrico.
Recomendaciones:
Uno de los factores que más afectó los resultados durante las pruebas de rendimiento fue la vibración producto de la interacción entre el fluido y la tubería, por lo que se recomienda minimizar esta
haciendo uso de bases rígidas y perfiles estructurales de una forma similar a como se hizo en este proyecto. Por otro lado, se hace necesario implementar un dispositivo para medir el torque directamente del sistema de pico generación, de esta manera la evaluación de rendimiento demandará un menor número de pruebas y tendrá resultados más exactos.
Es necesaria la optimización de la turbina hidráulica con el fin de lograr un acople con el generador eléctrico que este más cercano del punto de mejor operación de este y como resultado se optimice la
generación de energía eléctrica. Una posible mejora a realizar seria la implementación de unos alabes directrices antes del rotor de la turbina, de esta manera el flujo podría ser dirigido y entrar de una manera más optima a este para aprovechar de mejor manera el momento cinético . Una buena propuesta para proyectos posteriores y más avanzados seria la implementación de una turbina axial tipo Kaplan, esto se haría dándole la posibilidad de rotación a los alabes del rotor y a los alabes directrices. Esto último requeriría una adición de mecanismos de control al proyecto por lo que su nivel de complejidad aumentaría, sin embargo, de esta manera las eficiencias en conversión de energía del sistema de pico generación mejorarían notablemente.
Se hace necesario el cambio de algunas piezas mecánicas como el buje del eje de transmisión ya que debido a las pruebas realizadas en este proyecto y en el anterior se ha desgastado creando algo de fricción y ciertas fugas de agua. Por otro lado, se propone la implementación de algunos rodamientos para mejorar la rotación del eje de transmisión y así disminuir las perdidas mecánicas.
El codo de PVC que se tiene puede ser remplazado con un codo reventilado, ya que este último posee en su parte trasera una sección en donde se pueden alojar las piezas mecánicas que se nombraron en el párrafo anterior; con esta implementación se logra tener un diseño más compacto y adicionalmente los elementos mecánicos se protegen de mejor manera del medio. Por otro lado, se propone la
implementación de un protector en PVC para el generador eléctrico ya que la interacción de este dispositivo con el agua es nociva y se da accidentalmente en algunos casos durante las pruebas de rendimiento. Finalmente, se debe implementar un soporte para fijar todos los dispositivos de la unidad de pico generación a una misma base y así mejorar el transporte e instalación de esta.
Anexo
Especificaciones de equipos:
1. Flujómetro (Ultraflux, 2014): Marca: Ultra Flux.
Modelo: UF 801-P.
Rango de velocidades del flujo: 1mm /seg - 45 mm/seg. Diámetros de tubería desde 10 mm hasta 10 metros. Medición en cualquier líquido a cualquier presión. 2. Diferencial de presión (PCE instruments, 2014):
Marca: PCE instruments.
Serie: C-95.
Modelo: C-9553 SIL
Rango: 0- 35 kPa.
3. Multímetro (FLUKE, 2014):
Marca: Fluke.
Modelo:117
Rango/resolución:
Voltaje:
600 mV/0.1mV; 6 V/0.001V ; 60 V/0.01 V; 600 V/0.1V Corriente:
6 A/0.001 A; 10 A/0.01 A Ohmios:
600 Ω/0,1 Ω; 6 kΩ/0,001 kΩ ; 60 kΩ/0,01 kΩ; 600 kΩ/0,1 kΩ; 6 MΩ/0,001 MΩ 4. Tacómetro (INSTRUMENTS, 2014):
Marca: Extech instruments.
Modelo: RPM 10.
Rango:
Foto: 10- 99999 RPM ; Contacto:0.5-20000 RPM
Resolución: 0.1 RPM
5. Bomba centrífuga (IHM, 2014):
Marca: IHM
Modelo:1A-3/4W
Succión x descarga:1.1/4" x 1"
Tipo de motor: monofásico
Potencia motor: 0.75 HP
Velocidad: 3500 RPM
Capacidad: 48.75 GPM. @ nivel del mar.
Cabeza dinámica máxima: 27m @ nivel del mar
Bibliografía:
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EUROPEAN COMMISION.Las lámparas europeas son más eficientes desde el punto de vista energético. Recuperado el 03 de 06 de 2014
http://ec.europa.eu/energy/efficiency/ecodesign/lumen/doc/incandescent-bulbs-es.pdf
FLUKE. Multímetros digitales . Recuperado el 03 de 06 de 2014
Goldstein, H. (1987). Mecánica clásica. Barcelona.
Goudswaard, M. (2014). Experimento para determinar las luminosidades de cuatro bombillas LED. Bogotá D.C: Proyecto especial Uniandes.
Gulliver, J. S., & Arndt, R. E. (1991). Hydropower engineering handbook. McGraw-Hill.
IHM. Bombas centrífugas. Recuperado el 03 de 06 de 2014. http://www.igihm.com/
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Universidad Nacional de Colombia. (2011). Pequeñas y microcentrales hidroeléctricas: alternativa real de generación eléctrica. Bogota.
