generación de energía eléctrica a partir del potencial

Generación de energía eléctrica a partir del potencial humano haciendo uso de

una bicicleta, aplicada a iluminación de hogares en Zonas No Interconectadas

cumpliendo la normativa técnica colombiana

Por: Camilo Calderón Perez

Asesor: Alba Avila Profesora Asociada, Universidad de Los Andes

Jurados: Jose Fernando Jiménez, Profesor Asociado /Universidad de Los Andes

Maria Catalina Ramírez, Profesor Asociada /Universidad de Los Andes

Objetivo General

Diseñar un sistema de iluminación que cumpla con las especificaciones técnicas de la normativa de iluminación Colombiana, particularmente para zonas de estudio a partir de la energía eléctrica generada a través de potencial humano.

Objetivos Específicos

Investigar alternativas de conversión de energía, haciendo uso de fuentes renovable y amigable con el medio ambiente. Generar alternativas de iluminación que cumplan con los estándares de iluminación nacional, Resolución No. 180540 de Marzo de 2010, sección 410 Requisitos generales del diseño de alumbrado interior, para implementar en hogares de escasos recursos. Desarrollar e implementar un sistema de generación de energía eléctrica a partir del movimiento mecánico para ser utilizado por personas entre 12 a 30 años. Establecer parámetros que permitan determinar la eficiencia y establecer los tiempos de mantenimiento del mismo. Desarrollar los diferentes protocolos para un correcto uso y funcionamiento de todo el dispositivo en general.

Desarrollo Para la generación de energía eléctrica en zonas no interconectadas en Colombia, se escogió el potencial humano como uno de los posibles modos de generación, ya que dentro del rango de energías renovables, está no depende del clima de una región en particular. Ya que el propósito de generar electricidad en este caso fue utilizarla para la iluminación de espacios de estudios y/o habitaciones de una casa, inicialmente se caracterizaron diferentes tecnologías LED. Dicho procedimiento permitió escoger los LED SMD 5630, como los de menor consumo eléctrico y de mayor luminiscencia (cumpliendo la normativa técnica colombiana), además de un costo mínimo. También se analizaron otras tecnologías de iluminación como la Plasma o los Glousticks, sin embargo estas no presentaron resultados significativos por lo que fueron descartadas.

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Una vez seleccionado el tipo de iluminación, se desarrolló un sistema de generación eléctrica a partir del uso de una bicicleta, esto por medio de un motor acoplado a la llanta de la bicicleta, para lo cual se desarrollaron dos propuestas. La primera corresponde a un sistema de rodillos conectado por medio de una correa al motor, donde este puede ser ecualizado para aumentar o disminuir la eficiencia del sistema y a su vez la fuerza pedaleo. La segunda estructura consiste en una base, cuyo propósito es sostener la llanta trasera de la bicicleta, de tal forma que esta haga contacto directo con el eje del motor. Para los dos prototipos propuestos se utilizó un motor de 24V con una potencia máxima de 120W el cual fue debidamente caracterizado en términos de voltaje, corriente y velocidad angular. Esto con el objetivo de conocer el diámetro optimo del eje del motor, tal manera que la conversión de energía mecánica (cinética) en energía eléctrica por medio del generador fuese eficiente. Este sistema está en capacidad de utilizar la energía de forma instantánea o de almacenar la misma en una batería, para lo cual se utiliza un regulador comercial. En el caso de la batería se analizaron los materiales con los cuales se fabrican, adicionalmente se escogió de larga duración, en este caso de 12Ah de tal manera que la iluminación seleccionada pueda estar encendida por más de 4 horas. Por lo anterior se simulo la descarga de la batería por medio de resistencias de potencia y finalmente se le conecto una tira de LED SMD 5630 de 2m de longitud, de manera tal que se estableció el tiempo real de duración. Cabe resaltar que es la cantidad de iluminación necesaria para alumbrar las mesas de la biblioteca de la Granja del Padre Luna, lugar para el cual fue desarrollado este proyecto. Finalmente se procedió a caracterizar los usuarios y la bicicleta misma, estableciendo la velocidad máxima y mínima a la que pedalea una persona entre los 12 y 30 años. Este análisis se realizó por medio de un sensor de efecto hall, el cual permitió establecer la velocidad angular sobre la rueda con la cual se puede establecer la velocidad tangencial de la persona que realiza el ejercicio. Adicionalmente se desarrollaron los protocolos de prueba del prototipo final así como el manual del usuario.

Resultados Se analizó efectivamente los alcances la energía eléctrica, generada a partir del potencial humano haciendo uso de una bicicleta estática, obteniendo una potencial de salida de hasta 40Wh. Adicionalmente se implementaron dos métodos de acoplamiento entre la bicicleta y el motor de generación, de forma tal que en ninguno de los dos casos el usuario tuviera que hacer mayor esfuerzo. En términos de iluminación se obtuvo una luminiscencia máxima de 620 Lux y mínima de 300 Lux en un radio de 23 cm con respecto al foco, lo cual está dentro de la normativa técnica colombiana que establece un mínimo de iluminación de 300 Lux para bibliotecas con una valor medio de 500 Lux. Se generó energía eléctrica efectivamente a partir del movimiento mecánico realizado al pedalear en una bicicleta, logrando una eficiencia hasta del 30% para la primera propuesta desarrollada, mientras que la segunda presento una eficacia de 58% lo cual es aproximadamente el doble de la inicial. Con el objetivo de que el usuario conozca el estado del sistema se implementó un circuito de 4 LED que le indican el porcentaje de carga de la batería, lo que a su vez determina cuando es

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necesario que la persona pedalee para recargar la misma. Adicionalmente se implementaron dos medidores análogos uno de corriente y el otro de voltaje, para que de esta manera el beneficiario conozca de manera instantánea su producción energética mientras se ejercita. Para que cualquier persona pueda utilizar el sistema se desarrolló un manual del usuario en el cual se encuentra explicado paso a paso el modo de utilización del sistema, así como las indicaciones mínimas para que el mismo usuario pueda verificar el correcto funcionamiento del dispositivo. Cabe resaltar que se cumplieron los objetivos planteados inicialmente se cumplieron y que en el documento del proyecto se encuentran debidamente documentos todos los procesos aquí estipulados.

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PROYECTO FIN DE CARRERA

Presentado a

LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Para obtener el título de

INGENIERO ELECTRÓNICO

por

Camilo Calderón Pérez

Generación de energía eléctrica a partir del potencial humano haciendo uso de

una bicicleta, aplicada a iluminación de hogares en Zonas No Interconectadas


Sustentado el día mes de año frente al jurado:

Asesor: Alba Avila Profesora Asociada, Universidad de Los Andes

Jurados : Jose Fernando Jiménez, Profesor Asociado /Universidad de Los Andes

Maria Catalina Ramírez, Profesor Asociada /Universidad Nacional

Generación de energía eléctrica a partir del potencial humano haciendo

uso de una bicicleta, aplicada a iluminación de hogares en ZNI


Contenido 1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 6

2 OBJETIVOS ...................................................................................................................... 7

2.1 Objetivo General ...................................................................................................... 7 2.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 7

2.3 Alcance y productos finales ..................................................................................... 7

3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO .......................... 8

4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO .............................................................. 9

4.1 Marco Teórico .......................................................................................................... 9 4.2 Marco Conceptual .................................................................................................. 10 4.3 Marco Histórico ..................................................................................................... 11

5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO .............................................................. 13

5.1 Definición .............................................................................................................. 13

5.1.1 Suposiciones ................................................................................................... 14

5.1.2 Factores de riesgo ........................................................................................... 15

5.2 Especificaciones ..................................................................................................... 16

6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ...................................................................................... 16

6.1 Plan de trabajo ....................................................................................................... 16 6.2 Búsqueda de información ...................................................................................... 17 6.3 Alternativas de desarrollo ...................................................................................... 17

7 TRABAJO REALIZADO .................................................................................................... 18

7.1 Descripción del Resultado Final ............................................................................ 18

7.1.1 Caracterización Iluminación ........................................................................... 18

7.1.2 Caracterización generación ............................................................................ 30

7.1.3 Caracterización almacenamiento ................................................................... 33

7.1.4 Caracterización Bicicleta ................................................................................. 36

8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ........................................................................................... 41

8.1 Metodología de prueba .......................................................................................... 41 8.2 Validación de los resultados del trabajo ................................................................ 46

8.2.1 Propuesta alternativa ..................................................................................... 52

8.3 Evaluación del plan de trabajo ............................................................................... 56

9 DISCUSIÓN .................................................................................................................... 56

10 TRABAJO FUTURO ......................................................................................................... 57

11 CONCLUSIONES ............................................................................................................. 58

12 REFERENCIAS ................................................................................................................ 59

13 APENDICES .................................................................................................................... 60

13.1 Prepuesto Materiales .......................................................................................... 60 13.2 Anexos ................................................................................................................ 61




1 INTRODUCCIÓN

En el 2013 alrededor del mundo habían 1200 millones de personas que no tiene acceso a la electricidad [1], para el caso de Colombia, según la Comisión de Regulación de Energía y Gas, las zonas no interconectadas (ZNI) representa el 52% del territorio Colombiano abarcando aproximadamente 1.200.000 habitantes distribuidos en 17 departamentos [2]. Es por esta razón que se plantea generar energía eléctrica para comunidades que no hagan parte de la red actual o que se consideren ZNI a partir de fuentes amigables para las comunidades tanto por su valor económico por la disponibilidad del recurso en la zona, además de que estas sean consideradas energías renovables y amigables con el medio ambiente, tal como lo es el potencial humano. En los hogares de las ZNI las actividades como educación, trabajo nocturno, la seguridad, actividades sociales, entre otras son limitadas debido a la falta de energía. Los actuales sistema de iluminación temporal, tales como velas, linternas no cumplen con los estándares establecidos a nivel nacional para dichas actividades, como por ejemplo los 500 lux establecidos para la lectura [3]. Para mejorar sus condiciones de vida de acuerdo sus necesidades en términos de la disponibilidad de luz en todos los espacios de la casa, donde actualmente no necesariamente cuentan con la misma y teniendo en cuenta su capacidad de pago por Kilovatio (KW). Este trabajo pretende explorar diferentes tipos de generadores de energía, que provean iluminación flexible a bajo costo (manteniendo un meta de 400.000) a comunidades rurales, a partir de la conversión de energías disponibles en dichas zonas y que además no atenten o pongan bajo amenaza los recursos naturales. En este contexto la investigación se enfocara en movimientos humanos, generados por en por personas dentro de en un rango 12 a 30 años, el cual es un rango representativo de comunidades en Colombia. Para que el prototipo a desarrollar se implemente con éxito es fundamental conocer la edad de quien va usar el dispositivo final, ya que es a partir de esta que se puede definir los rangos máximos y mínimos de excitaciones de entrada en el sistema, así mismo esto permite determinar: la cantidad de energía transformada, cantidad de energía almacenada, tiempos de almacenamiento, tiempos de entrega, ciclos de carga y descarga. Para el caso particular se propone garantizar iluminación para zonas de estudio (valor medio 500Lux), dormitorios (valor mínimo 100Lux) o habitaciones (para todos los casos ver anexo 1) dentro de una vivienda, de tal manera que mejore la calidad de vida de sus habitantes, brindándoles la posibilidad de aumentar su productividad, así como sus horarias de estudio de entre las 6:00pm y las 7:00am, dependiendo del uso que se le al sistema mismo. Cabe resaltar que las viviendas de extrema pobreza tienen menos de 15 metros cuadrados, de hecho las casas de emergencia construidas por la Organización no




Gubernamental (ONG), Un Techo Para Mi País, tienen un área de 18 metros cuadrados [4]. Así mismo el decreto 2060 de 2004 establece que el área de una vivienda de interés social debe ser mínimo de 26 metro cuadrados [5].

2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo General

Diseñar un sistema de iluminación que cumpla con las especificaciones técnicas de la normativa de iluminación Colombiana, particularmente para zonas de estudio a partir de la energía eléctrica generada a través de potencial humano.

2.2 Objetivos Específicos

Investigar alternativas de conversión de energía, haciendo uso de fuentes renovable y amigable con el medio ambiente. Generar alternativas de iluminación que cumplan con los estándares de iluminación nacional, Resolución No. 180540 de Marzo de 2010, sección 410 Requisitos generales del diseño de alumbrado interior [5], para implementar en hogares de escasos recursos. Desarrollar e implementar un sistema de generación de energía eléctrica a partir del movimiento mecánico para ser utilizado por personas entre 12 a 30 años. Establecer parámetros que permitan determinar la eficiencia y establecer los tiempos de mantenimiento del mismo. Desarrollar los diferentes protocolos para un correcto uso y funcionamiento de todo el dispositivo en general.

2.3 Alcance y productos finales

Investigar sobre conversión de energía mecánica en energía eléctrica. Establecer el modo de acoplar el generador (motor) a un sistema de transporte para maximizar su eficiencia. Investigar sobre tipos y materiales de batería, para optimizar los ciclos de carga y descarga, así como la vida útil de la misma.




Diseñar un sistema de iluminación flexible y amigable con el usuario, evaluando el tipo de luz y las posibles configuraciones y geometrías de instalación para maximizar la iluminación. Establecer un modelo de pruebas del sistema en general tanto para niños (12 a 18 años) como para adultos (18 a 30 años) que incluyan todas las variables relevantes (eficiencia del sistema, tiempos de carga, vida útil del sistema, velocidad para máxima eficiencia). Construir o ensamblar el sistema de generación eléctrico, es decir el sistema de pedaleo propio de la bicicleta, el generador, el regulador y el sistema de baterías. Realizar el protocolo de pruebas establecido previamente, con y sin el sistema de iluminación diseñado. Estimar el valor final por kilovatio y realizar una comparación de precios con otras alternativas de solución Implementar el sistema en la Granja del Padre Luna y evaluar el comportamiento del sistema durante el tiempo de prueba, verificando su eficiencia y utilidad en el sitio.

3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO

En muchos de los Departamentos colombianos donde no hay electricidad o solo cuentan por algunas horas al día con este recurso, existe un considerable atraso económico, educativo, de salud pública y tecnológica entre otros. En las poblaciones donde hay electricidad, es a través de plantas Diesel que por lo general solo funcionan entre 4 y 6 horas diarias y solo se enciende en la noche. Es por eso que en sitios como en el Bajo Baudo que el serivicio medico es de baja calidad, pues la falta de luz implica que no se pueden guardar los medicamentos mucho tiempo, así como la comida perecedera [4]. La energía eléctrica permite brindar una educación de calidad, servicios de salud permanentes, porque esta es indispensable aun en regiones aisladas o apartadas del casco urbano. Actualmente entidades como el IPSE se encuentran desarrollando proyectos para brindar energía alternativa a estas comunidades aisladas como lo es el caso del Sistema Hibrido Solar- Diesel en Titúlate Choco, donde desde el año 2013, 105 usuarios se ven beneficiados por esta iniciativa Con inversiones de 800 a 1200 millones de pesos [5] con capacidad para generar 105 KWp. Adicionalmente se tienen soluciones Eólicas en regiones como el Cerro de la Teta, Guajira, donde se implementó para una escuela con una generación de 5kW [6].




Tal y como se enuncia en el Marco Teórico e Histórico existen otras posibles soluciones con energía tales como la energía Geotérmica, de potencial humano y demás sin embargo lo que hace relevante la solución aquí planteada (Potencial humano haciendo uso de una Bicicleta) es que no depende de las condiciones ambientales en las que instalada a excepción de sectores con temperaturas excesivamente bajas o altas (-10oo 40o). A diferencia de las demás soluciones esta propuesta tiene en cuenta los recursos económicos que se deben invertir para la misma, por lo que es de bajo costo (menos de 200 dólares) incluido el sistema de generación y los dispositivos de iluminación, objetivo para el cual está diseñado. Así mismo es un referente ya que en Colombia no es una tecnología que se haya implementado aún y no existe mucha bibliografía sobre desarrollos de esta técnica en Colombia. En países europeos, las personas en general ya pueden adquirir diferentes tipos de generadores aun costo medio con el objetivo de cargar sus teléfonos celulares mientras se desplazan en sus bicicletas. Con este proyecto se pretende darle un uso particular a la energía eléctrica producida y es la iluminación de hogares, con el propósito de que estos sean utilizados para el aprendizaje, el esparcimiento y la habitabilidad. Sin embargo también podrían darse otros usos particulares según sea el caso.

4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO

4.1 Marco Teórico

Actualmente existe una gran variedad de energías renovables también llamadas energías verdes, las cuales serán contextualizadas a continuación:

Energía Solar Fotovoltaica Energía obtenida a partir de paneles Fotovoltaicos que convierten la Luz en electricidad.

Energía Solar Térmica La energía solar es convertida en energía mecánica (Vapor que mueve una turbina) que a su vez es transformada en Electricidad.

Energía Eólica Es la energía cinética producida por el viento, que mediante molinos o aspas es convertida en electricidad.

Energía Hidráulica La Electricidad obtenida a partir de una caída de agua, es decir aprovechando la energía cinética de este movimiento.

Bioenergía Es la obtenida a partir de procesos




químicos aplicados sobre Biomasa.

Energía Geotérmica La energía obtenida a partir de la temperatura interna de la tierra.

Energía del Potencial Humano Energía obtenida a partir del movimiento (cinético) del cuerpo humano.

Tabla 1. Energías renovables actuales. [7] Como se puede ver en la tabla 1 todas las energías renovables son aquellas que se generan a partir de recursos abundantes, ya que existe una gran cantidad de este recurso en la tierra, o porque se regenera por medios naturales.

4.2 Marco Conceptual

El Generador es una maquina eléctrica que transforma energía mecánica a partir de la rotación. Esta consta de dos partes el Rotor (Componente que gira) y el Estator el cual es completamente estático. La Electricidad se produce gracias a la transformación de la energía Mecánica aplicada sobre el Rotor y Estator que produce un flujo magnético debido al giro constante del mismo [8]. La potencia de salida de un Generador está dada por la siguiente ecuación:

(1) Donde PS es la Potencia de salida expresada en Vatios, V es el voltaje generado con unidades de Voltios e I es la corriente de salida expresada en Amperios. Para conocer la eficiencia del Generador en este caso es importante conocer la Potencia Mecánica inducida o Potencia de entrada, la cual es:

(2) Pe es la potencia de entrada expresada en Watts. M es el momento de fuerza expresado en Newton por metro y W la velocidad angular en unidades de revoluciones por segundo. Cabe resaltar que el Momento de fuerza se expresa como:

(3) Es decir la fuerza aplicada expresada en Newtons por la distancia a la que es aplicada d, medida en metros. Por tanto la eficiencia del prototipo estará dada por:

(4)

Para el almacenamiento de la energía se utiliza una batería de plomo la cual tiene un periodo de carga o de descarga determinado por su capacidad de acumulación de energía




eléctrica la cual está dada en Amperios hora (Ah), es decir que el tiempo de carga y descarga están dados respectivamente por:

(5)

(6)

Para calcular la rotación del motor o del eje de la rueda o del pedal se debe tener en cuenta que sobre dos superficies en contacto y en movimiento la Velocidad Tangencial siempre es equivalente por lo tanto:

(7) Donde Vt es la velocidad tangencial del elemento medido, r es el radio sobre el cual se da el giro. Finalmente la energía eléctrica generada será utilizada para la iluminación de espacios con tecnología Led la cual debe cumplir la Normativa técnica Colombiana, Resolución No. 180540 de Marzo 30 de 2010, Capitulo 4 DISEÑOS Y CALCULOS DE ILUMINACIÓN INTERIOR. SECCION 410 REQUISITOS GENERALES DEL DISEÑO DE ALUMBRADO INTERIOR [9]. Dicha normativa establece que el mínimo de iluminación que debe haber en un salón de clase o biblioteca es de 300 lux y 500 lux como valor medio. La información correspondiente al decreto se presenta en el Anexo 1.

4.3 Marco Histórico

Dentro del contexto internacional existen diferentes iniciativas aplicando el potencial humano, para la generación de energía eléctrica, sin embargo una de las formas más eficiente y económica de explotar esta energía es a partir de la bicicleta, tal y como es el caso de Kampala, Uganda, “Human power (HP) as a viable electricity portafolio option below 20W /Capita” *10]. En esta región y en otros lugares de África (Kenia), las comunidades no tiene capacidad de pago por lo que no están interconectado a la red de ese país, adicionalmente en algunos casos, aun cuando están interconectados la falta de regulación del sistema genera que dicha población solo cuente con luz entre 4 y 6 horas al día, en ocasiones solo una vez cada dos días [11]. Esta situación dio paso a la implementación de sistema de generación a partir de bicicletas estáticas comunitarias, el funcionamiento básico del sistema consiste en crear un parque de bicicletas estáticas las cuales son asignadas una por cada 10 familias en el lugar donde




exista la carencia de electricidad. Cada bicicleta debe ser utilizada 1 hora diaria por cada una de estas familias, lo que implica 10 horas de pedaleo diario, generando en promedio electricidad para 20 o 30 horas de uso. Otro caso muy representativo es el de India, uno de los países más densamente poblados, y al igual que el territorio Colombiano, presenta regiones de difícil acceso y/o de pobreza extrema en donde los pobladores no pueden pagar una cuota fija para su interconexión a la red eléctrica local. Es por esto que se han generado soluciones dentro de los mismos pobladores, en asocio a universidades locales, dentro de las cuales se encuentra “Pedalite: Lighting Up Lives in Un-electrified Villages” *13]. Este proyecto se basa en la utilización de las bicicletas, no solo como un medio de transporte tal como se usa actualmente en dichas localidades, sino que puede ser como un medio para producir energía eléctrica. En este caso cada usuario del sistema puede usar la bicicleta como normalmente lo hace, con la única diferencia que al final del día puede desconectar la batería de la bicicleta y conectarla a una lámpara previamente diseñada e implementada en su hogar. Lo anterior le permite a la persona tener en su lugar de vivienda por algunas horas durante la noche dependiendo de la cantidad de horas que haya utilizado la bicicleta durante el día, lo que permite fomentar el desarrollo en estos hogares al aumentar las horas de productividad. A diferencia del primer caso, la bicicleta al ser móvil tiene un generador de menor tamaño (Dinamo de botella), al igual que una batería de menor capacidad debido a su peso y la posibilidad de colocarla en la bicicleta sin mayores modificaciones. Para establecer las similitudes y diferencias entre las dos soluciones explicadas anteriormente se plantea la siguiente tabla comparativa.

PROYECTO VOLTAJE

DE SALIDA (V)

VELOCIDAD PEDALEO (RM)

CORRIENTE MAXIMA (mA)

TIEMPO DE CARGA (h)

USO

UGANDA 120 NA 1500 mínimo 1

Iluminación y equipos de

bajo consumo

INDIA 6 60-80 320

depende de las distancias Lámpara 6V

Tabla 2. Comparación de soluciones aplicadas en el extranjero. [11] [12]

En el caso de Colombia, no hay sistemas instalados para poblaciones vulnerables que sean similares a los expuestos de Uganda e India, pues en algunas de las zonas no interconectadas, existen soluciones con plantas diésel y se encuentra en estudio la




posibilidad de utilizar paneles fotovoltaicos. Aunque siguen existiendo grandes zonas que continúan sin ninguna clase de servicio eléctrico. Sin embargo, existen algunas propuestas de cómo fabricar bicicletas que puedan ser utilizadas para la generación de energía eléctrica, como es el caso de “Diseño de un sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas” *9] desarrollado por estudiantes de la UIS. Este trabajo de grado expone las diferentes topologías de construir o ensamblar el generador a la bicicleta incluyendo diferentes tipos de generadores (motores) y analiza la eficiencia de las mismas. Dicha investigación está enfocada en maximizar la eficiencia, aun cuando no reporta uso alguno para la energía producida. Adicionalmente, analiza la aplicabilidad de este sistema a una interconexión con la red eléctrica nacional de tal forma que se pueda desarrollar una Red Inteligente donde el usuario del dispositivo también este en capacidad de entregar la energía sobrante a la red y así contribuir en la generación.

5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO

5.1 Definición

Más del 40% de los hogares Colombianos no cuenta con energía Eléctrica la mayor parte del día [14]; en algunos casos tienen ausencia total de Electricidad. Esta condición se da principalmente por dos razones, la primera es por la incapacidad de pago de los hogares debido a la condición socioeconómica en la que se encuentran y la segunda es la geografía extrema o aislamiento geográfico donde se encuentran ubicados estos hogares. En zonas de Cundinamarca, específicamente en el Municipio de Guasca, se tienen comunidades con acceso limitado a la energía eléctrica. Ya que debido a su costo se tiene uso restringido. Es para estos grupos que se plantea tener energías alternativas, directamente aplicadas a iluminación de una habitación o dormitorio, con una luminiscencia media de 200 Lux y mínima de 100 Lux. Así mismo evaluar la luminosidad en área de estudio que según el estándar nacional, citado anteriormente debe tener mínimo 300 Lux y un valor medio de 500 Lux. Este proyecto busca generar una solución amigable con el medio ambiente, pero sobre todo que sea económica que permita a estos hogares tener un mínimo de luz para el desarrollo de las actividades cotidianas cumpliendo la normativa técnica colombiana. Para esto se desarrolló un generador, haciendo uso de una bicicleta a partir del potencial humano, con el propósito de utilizar la energía producida en iluminación de hogares, específicamente aplicada a sectores marginados o de pobreza extrema. La siguiente imagen representa la estructura del prototipo desarrollado.




Diagrama 1. Propuesta del prototipo solución a desarrollar. En la imagen 1, Pe corresponde a la potencia humana entregada al sistema por la persona que realizar ejercicio sobre la bicicleta. Pb es la potencia que considera las perdidas propias de la bicicleta y la fricción de la llanta con el eje del motor. Ps es la energía eléctrica producida por el motor a partir del movimiento mecánico aplicado en el mismo. Vr es el voltaje regulado (12 Vnominal) que le entrega el regulador a la batería, mientras que Ca, es la carga almacenada en la batería la cual es entregada inicialmente al indicador de estado.

5.1.1 Suposiciones

Para las soluciones de energía alternativa basadas en el movimiento humano se tienen las siguientes suposiciones: -La solución será implementada en hogares que actualmente no cuentan con servicio de energía eléctrica, no se encuentra conectado a la red nacional o no cumplen con las normas de iluminación nacional. Se asume que en promedio estas viviendas donde se implementara el sistema, son habitadas por familias de 4 miembros (padre, madre y dos hijos mayores de 12 años). -Los usuarios de los dispositivos es decir que cada miembro de la familia cuenta con al menos una hora al día para producir su propia electricidad. Adicionalmente se considera que cada uno de los usuarios está en plena capacidad de montar bicicleta por al menos un mínimo de 15 minutos a velocidad constante. Es importante mencionar que la cantidad de tiempo pedaleando, fue seleccionado para que ninguno de los usuarios

EJERCICIO

(Persona pedaleando)

BICICLETA

(Medio de generación)

MOTOR

(Generador)

REGULADOR

(Manejo voltaje)

BATERIA

(Almacenamiento

energía)

INDICADOR BATERIA

(Estado de la batería)

ILUMINACIÓN

(Matriz Led)

Pe Pb

Pe Ps

Vr Ca

Pc

Eb




-El costo máximo del sistema instalado no debería superar los 400.000 pesos, con la posibilidad de que el mismo se usado por una o más familias a la vez. Ya que en promedio es lo que cuesta un dispositivo móvil como un celular inteligente. -El lugar donde se va instalar el sistema debe tener un mínimo de seguridad, que consiste en poder guardar bajo llave tanto la bicicleta como todos los dispositivos de iluminación de tal forma que no sean sustraídos por terceros. -En los puntos de generación, se estima que hay disponible espacio suficiente para la implementación del dispositivo generador. Adicionalmente se infiere que la humedad en el ambiente es baja y que la temperatura ambiente no excede los 30ºC grados. -Si el sistema es utilizado adecuadamente (uso mínimo, mantenimiento, etc.) el dispositivo implicara un menor costo por vatio, que el suministrado por la red eléctrica.

5.1.2 FACTORES DE RIESGO

Adicionalmente se tuvieron en cuenta los siguientes riesgos propios del diseño solución: Los hogares para los cuales se desarrolla este prototipo actualmente no cuentan con servicio de energía eléctrica, no se encuentra conectado a la red nacional o no cumplen con las normas de iluminación nacional. Se cree que cada uno de los usuarios está en plena capacidad de montar bicicleta por al menos un mínimo de 15 minutos a velocidad constante. En los puntos de generación, se estima que hay disponible espacio suficiente para la implementación del dispositivo generador. Adicionalmente se considera que la humedad en el ambiente es baja y que la temperatura ambiente no excede los 30ºC grados. Si el sistema es utilizado adecuadamente (uso mínimo, mantenimiento, etc.) el dispositivo implicara un menor costo por vatio, que el suministrado por la red eléctrica. Cualquier elemento utilizado debe estar debidamente empacado, para seguridad los usuarios El proyecto no pueda ser probado o no sea posible llevarlo la Granja donde se planea instalarlo o que el sistema sea sustraído o robado una vez sea colocado.




5.2 Especificaciones

El lugar donde se instalará el prototipo de prueba, La Granja del Padre Luna, no cumple con los estándares de iluminación nacional (tanto en dormitorios, como en la biblioteca). El sistema no puede ser instalado en sitios húmedos, ya que reduce la vida útil de sus componentes. El dispositivo no puede ser instalado en sitios con limitaciones de acceso, o mala ventilación. Los usuarios debe saber montar bicicleta, así como comprender la mecánica básica del dispositivo para que pueda realizar, por sus propios medios el mantenimiento del montaje. En ningún caso el dispositivo va reemplazar la infraestructura de la red eléctrica nacional, si esta ya ha sido instalada de manera previa en el lugar donde sea instalado el sistema.

6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO

Inicialmente se estableció un procedimiento para el desarrollo de las diferentes pruebas y caracterizaciones a realizar dependiendo de la necesidad de la misma dentro del proceso de investigación realizado.

6.1 Plan de trabajo

Dentro del proceso de investigación existen seis grandes fases a trabajar los cuales son: Investigación de las Energías renovables existentes en la actualidad, Iluminación, Generación Eléctrica, Almacenamiento, Ensamble Prototipo y Análisis del sistema, tal como se ilustra en el Anexo 1. Dentro de la investigación preliminar se considera únicamente la revisión bibliográfica de las diferentes tecnologías existentes, enfocándose en el Potencial Humano debido al contexto de este proyecto.

La parte de Iluminación relaciona la investigación de las diferentes tecnologías de luminiscencia que se pueden encontrar en el mercado, además la exploración de algunas alternativas no usuales. Así mismo, se hace una revisión bibliográfica de las metodologías de luminosidad, normativas técnicas y estándares internacionales y nacionales. Finalmente el diseño de pruebas para verificar que se cumpla la normativa técnica Colombiana.




En el módulo de generación eléctrica se analiza el comportamiento de un motor en modo de generación, caracterizando sus parámetros básicos tales como su velocidad angular, voltaje de salida, corriente de salida.

Para el módulo de Almacenamiento se realizó una investigación sobre los diferentes tipos de materiales para fabricación de Baterías, así como los distintos tipos de baterías y sus periodos de carga y descarga asumiendo una carga dada.

Posteriormente se encuentra la etapa de ensamble del prototipo final. En esta etapa se investiga y analiza las diferentes formas de incorporar el generador a la bicicleta para obtener la máxima eficiencia del mismo.

Finalmente se realizan todas las pruebas previamente diseñadas en el prototipo instalado, tales como eficiencia, Luminiscencia, Voltaje generado, Corriente entregada y demás, evaluando por medio de estos indicadores la viabilidad del sistema mismo para ser reproducido a gran escala.

6.2 Búsqueda de información

La investigación en términos generales se realizó a partir de la información encontrada en las bases de datos de la universidad específicamente en las bases IEEE XPLOR, SCIENCEDIRECT la búsqueda estuvo centrada en artículos científicos que se relacionaran con el tema. Adicionalmente se revisaron los informes del Instituto de Planificación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No Interconectadas (IPSE), sobre la situación energética colombiana y los proyectos existentes para brindar energía eléctrica a las comunidades aisladas. Cabe resaltar que esta es la entidad que el estado colombiano formo en el año 1994 luego reestructura la entidad ICEL, para desarrollar y supervisar las soluciones energéticas para las comunidades no interconectadas o en ZNI. También se tuvo en cuenta el plan energético nacional 2006 – 2025 [10] que contempla la expansión tecnológica en energías verdes utilizadas en Colombia, como solución particular y alternativa para algunas regiones.

6.3 Alternativas de desarrollo

Para el desarrollo de este proyecto inicialmente fueron consideradas diferentes alternativas de generación de energía eléctrica. Específicamente las que corresponde a energías renovables o también llamadas energías verdes, las cuales ya fueron enunciadas en el marco teórico. A continuación se presentan las ventajas y desventajas de cada una de las tecnologías evaluadas. Luego de seleccionar la bicicleta como mecanismo de generación, se analizó la posibilidad de que este fuese un sistema móvil o estático. Debido al contexto del lugar de prueba se




determina que la bicicleta debe ser estática, pues de ser móvil no se le daría el suficiente uso, como para almacenar un valor significativo de energía eléctrica. La energía eléctrica generada será utilizada principalmente en iluminación de hogares y para este caso particularmente será aplicada a una biblioteca. Es por esto que durante el desarrollo de este proyecto se caracterizaron diferentes fuentes de luz, enfocando la investigación en tecnología LED debido a su bajo consumo. El análisis de este procedimiento se expondrá en la sección de resultados.

7 TRABAJO REALIZADO

7.1 Descripción del Resultado Final

Como se mencionó previamente el proyecto consta de cuatro áreas generales las cuales son: Iluminación, Generación Eléctrica, Almacenamiento de Energía y Bicicleta estática. A continuación se presenta el modelo utilizado para cada una de estas etapas con sus respectivas variables de medición y protocolos de prueba.

7.1.1 Caracterización Iluminación

7.1.1.1 Luminiscencia

Para la caracterización de las diferentes tecnologías LED se utilizó el montaje que se presenta a continuación, por medio del cual se varió la distancia del banco de pruebas de LEDs con respecto al Luxómetro 60cm con intervalos de 10 cm. En esta prueba se evaluaron tipos de LED SMD 5050, SMD 5630 y SMD 3528, organizados en matrices de 4x6 prefabricadas (SMD 5050) y construidas a partir de cintas (5050, 5630, 3528).




Diagrama 2. Prueba de Luminiscencia vs Distancia.

Cabe resaltar que con cada tipo de tira de LEDs se implementó una matriz 4x6, con el propósito de poder comparar objetivamente la luminiscencia de estas con respecto a la matriz prefabricada. Adicionalmente se utilizó una fuente variable provista por el laboratorio con el propósito de garantizar que cada una de las muestras a evaluar fuese alimentada a 12V, tal como se puede ver en la imagen 1.

Imagen 1. Montaje prueba de Luminiscencia vs Distancia.

Para la anterior prueba se utilizaron los siguientes bancos de luz (ver imagen 2).




Imagen 2. Bancos de prueba de Leds

A continuación, en la gráfica 1, se presentan los resultados obtenidos a partir del procedimiento previamente establecido. Un resultado claro es que la tira de LEDs SMD 5630 con una resistencia entre LEDs de 47Ω presenta la mayor Luminiscencia de todos los bancos de prueba. Para este proyecto se utilizara una altura de 30cm, que corresponde a la distancia, donde todos los bancos de luz registraron en promedio 500 Lux. La referencia 5630 presenta aproximadamente el doble de iluminación que cualquiera de los otros tipos de LEDs.

Grafica 1. Luminiscencia vs Distancias con matrices de 4x6 Leds.

.

100

1000

10000

0 10 20 30 40 50 60 70

Lum

inis

cen

cia

(Lu

x)

Distancia (cm)

Luminiscencia vs Distancia

SMD 3528 R 150 Ohm

SMD 5630 R 47 Ohm

SMD 5050 R 75O hm

SMD 5050 MATRIZPREFABRICADA

SMD 5050 R 24 Ohm




Aunque la prueba arrojo resultados evidentes, también plantea nuevas incógnitas en términos de la caracterización de las mismas tales como: influencia del tamaño del arreglo de LEDs o la geometría bajo la cual este construido, en términos de su influencia en la iluminación generada. Adicionalmente se determinó reducir la matriz de LED 5630 debido a que esta supera la máxima luminiscencia permitida por la norma (Anexo1). Por lo anterior se proponen dos nuevas pruebas, la primera corresponde a concentrar la luces de todos y cada una de las matrices evaluadas previamente a partir de un embudo metálico, de tal forma que este concentre la luz justo sobre el sensor del luxómetro, evitando que la luz se disperse en el ambiente tal como se presenta en el siguiente Diagrama.

Diagrama 3. Prueba de focalización de la luz a un único punto (Máxima iluminación del

banco de prueba). El objetivo del procedimiento es confinar todo la luz generada a un único expansión en el cual, la geometría de la estructura lumínica pierda relevancia y se puede evaluar directamente la luminiscencia del dispositivo.




Imagen 3. Prueba de concentración lumínica.

La imagen 3 corresponde al montaje utilizado para concentrar la luz de cada banco en un solo punto focal. Los datos obtenidos se relacionan en la siguiente tabla comparativa.

Caracterización con embudo

TIPO DE LED LUMINANCIA (LUX/ UNIDAD)

SMD 5050 R 150 Ohm (construido)

5080


4950


4790

SMD 5050 (prefabricado)

4720

SMD 5630 11840

SMD 3528 3640

Tabla 3. Valores máximos de iluminación con focalización de la luz emitida, medida con el Luxómetro.

La tabla 3 pone de nuevo en evidencia que de los 6 tipos de tiras de Led, aquí analizados el SMD 5630 que vuelve a hacer de nuevo el de mayor iluminación, lo que en términos del sistema a desarrollar significa menor cantidad de matrices para iluminar el espacio objetivo cuyas dimensiones son de 4mx 5m, cumpliendo la normativa técnica colombiana. La segunda prueba consiste en analizar la geometría misma del banco de LEDs, la cual se basa en determinar las dimensiones del área ocupada por cada uno de los bancos y




contrastarla contra el área propia de los diferentes LEDs, para lo cual se plantean las siguientes ecuaciones:

8] 9

10

Bled corresponde al ancho del LED, mientras que hled se refiere al largo del mismo. De igual forma Btira es ancho de la cinta de LEDs y hled es su longitud. A continuación se enuncian los resultados obtenidos (ver tabla 3) a partir de las mediciones realizadas en cada uno de los bancos correspondientes.

TIPO DE LED área total banco LEDS (mm2)

área total LEDS (Iluminación) (mm2)

Área efectiva


3895 600 15,40


2747 600 21,84


3936 600 15,24


950 600 63,16

SMD 5630 3772 403,2 10,69

SMD 3528 3102 215,04 6,93

Tabla 4. Eficiencia geométrica de los bancos de luces implementados. En términos de la eficiencia geométrica (ver tabla 4) se puede establecer que el banco de LEDs más eficiencia es la matriz prefabricada con SMD 5050, si en términos de aprovechamiento del espacio se refiere. Contrastando estos valores con los obtenidos en términos de iluminación vertical es claro que tener los LEDs más cerca entre si no implica tener una mayor iluminación final. Esto posiblemente se debe al Angulo de apertura de la luz, puesto que para el caso de la matriz prefabricado se encuentran tan cercanos entre sí que su ángulo de 120o grados se ve completamente desaprovechado. Lo que sucede es que la luz que emite un LED se solapa con la que emite otro a una corta distancia, generando una iluminación más uniforme pero acortando su alcance.

7.1.1.2 Región de iluminación

Con el propósito de saber cuántas lámparas se necesitan para alumbrar un espacio determinado, se estableció que la distancia vertical a la cual serán posicionados los bancos




de LED o Lámparas es de 30 centímetros. Esto debido a que es una distancia considerable sobre la superficie de estudio, y principalmente porque es a esta distancia donde todas los bancos de LEDs desarrollados alcanzan a cumplir la normativa técnica colombiana a 90º grados de la base. Teniendo en cuenta lo anterior se procedió a realizar la prueba de área total de iluminación, que consiste en desplazar el Luxómetro horizontalmente sobre una superficie en la que incide la luz de los bancos de LEDs y establecer la distancia máxima a la cual se sigue cumpliendo la normativa técnica (ver diagrama 4).

Diagrama 4. Área de iluminación máxima de los bancos de Leds.

En la siguiente imagen se puede observar el montaje implementado según el protocolo diseñado para la prueba de área y ángulo de iluminación.

Imagen 7. Montaje para medición de Área de Iluminación.

Una vez realizadas todas mediciones sobre los diferentes bancos de prueba se obtuvieron los siguientes resultados.




Imagen 8. Distribución de la Luminiscencia para la matriz de Leds SMD 3528.

Como se puede ver en la escala de colores la máxima iluminación presentada por el banco de LEDs SMD 3528 (imagen 8), es justo de bajo los focos y asciende a 372 Lux, mientras que a un distancia de 10cm con respecto al centro del mismo la luz disminuye a 298Lux. Esto implica que esta es la distancia máxima en la cual se cumpliría la norma técnica Colombia que indica valor mínimo de 300 Lux para bibliotecas o áreas de estudio.

Imagen 9. Distribución de la Luminiscencia para la matriz de LEDs SMD 5050 Prefabricada. La máxima luminiscencia del banco de LEDs SMD 5050 (ver imagen 9) prefabricada es de 378Lux mientras que el mínimo es de 290Lux, sin embargo a diferencia del caso anterior la proyección de luz abarco un centímetro más de distancia que en el caso anterior.

-10 -5 0 5 10

-10

-5

0

5

10

LUMINISCENCIA (Lux) REF:SMD 3528, 150 Ohm

Distancia (cm)

Dis

tancia

(cm

)

300

310

320

330

340

350

360

370

-10 -5 0 5 10

-10

-5

0

5

10

LUMINISCENCIA (Lux) REF:SMD 5050, Prefabricada

Distancia (cm)

Dis

tancia

(cm

)

290

300

310

320

330

340

350

360

370




Imagen 10. Distribución de la Luminiscencia para la matriz de LEDs SMD 5050 75 Ohm

Para el caso de los Leds 5050 75 Ohm (imagen 10), se tiene un área de iluminación de 32cm de diámetro bajo el foco. Que va desde los 465lux hasta 280lux. Cabe resaltar que para presentar estos resultados se aproximó el área de iluminación a una circunferencia debido a la linealidad y a la relación de los valores obtenidos.

Imagen 11. Distribución de la Luminiscencia para la matriz de LEDs SMD 5050 24 Ohm.

Es importante mencionar que la relación lineal obtenida se asume con base a dos razones fundamentales, la primera es que la iluminación obtenida en desplazamientos en el eje X es similar a la conseguida en el eje Y para el mismo corrimiento. La segunda es que la

-15 -10 -5 0 5 10 15

-15

-10

-5

0

5

10

15


Distancia (cm)

Dis

tancia

(cm

)

300

320

340

360

380

400

420

440

460

-15 -10 -5 0 5 10 15

-15

-10

-5

0

5

10

15


Distancia (cm)

Dis

tancia

(cm

)

280

300

320

340

360

380

400

420

440




disminución de la luminiscencia conforme se aleja luxómetro del centro del foco presenta una disminución aproximadamente uniforme por centímetro de distancia.

Imagen 12. Distribución de la Luminiscencia para la matriz de Leds SMD 5050 150 Ohm

El radio de iluminación para el caso de los LED 5050 24 Ohm (imagen 11) fue de 15 cm con una iluminación máxima de 440Lux y mínima de 280 Lux. Mientras que para el caso del SMD 5050 150 Ohm (imagen 12) el área iluminada tiene un diámetro de 34 cm.

Imagen 13. Distribución de la Luminiscencia para la matriz de Leds SMD 5630.

-15 -10 -5 0 5 10 15

-15

-10

-5

0

5

10

15


Distancia (cm)

Dis

tancia

(cm

)

300

320

340

360

380

400

420

440

460

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

LUMINISCENCIA (Lux) REF:SMD 5630

Distancia (cm)

Dis

tancia

(cm

)

300

350

400

450

500

550

600




Como se puede ver en la imagen 13 el banco de LEDs SMD 5630 es el que presenta mayor luminiscencia en el completamente perpendicular al foco con 620 Lux y un mínimo de 299 Lux. Adicionalmente presenta un área iluminada con un radio de 23cm. Es de resaltar que para el caso de este banco de LED inicialmente se realizó la prueba con una matriz de 4x6 inicialmente. Sin embargo presento una iluminación de 1190 Lux, la cual supera la norma, pues esta indica un máximo de 750Lux. Posteriormente se implementó el mismo montaje con una matriz de 3x6 obteniendo como resultado 890Lux en el centro. Es por esto que se determinó reducir el tamaño de esta matriz a 2x6 con la que se capturaron los resultados previamente analizados.

7.1.1.3 Potencia iluminación

Una de las variables fundamentales que se deben conocer de cualquier elemento de iluminación es su potencia, por lo que se desarrolló el siguiente proceso de caracterización. Utilizando el vatímetro dispuesto en el laboratorio se conectó el banco de LEDs a la fuente variable y se registraron los datos correspondientes a Voltaje, Corriente y Potencia.

Diagrama 5. Caracterización potencia LEDs.

En este caso es fundamental conocer la potencia consumida por los bancos, en especial la corriente ya que esta está directamente relacionada con la velocidad de descarga de la batería y la duración de la carga de la misma. En la siguiente imagen se puede apreciar el montaje previamente descrito.




Imagen 14. Caracterización de la potencia consumida de los bancos de LEDs.

En la tabla 6 se presenta el voltaje aplicado a cada uno de los bancos, así como la corriente y potencia consumida, como se puede apreciar la referencia SMD 5630 es la que requiere un mayor consumo sin embargo es la que más ilumina.

CARACTERIZACION POTENCIA

TIPO DE LED POTENCIA (W) CORRIENTE (A) VOLTAJE (V)


3,24 0,27 12


3,72 0,31 12


2,88 0,24 12


1,68 0,14 12

SMD 5630 4,44 0,37 12

SMD 3528 1,68 0,14 12

Tabla 6. Potencia consumida por los diferentes bancos de LEDs. Una vez realizada la comparación entre las matrices de 4x6 (Tabla 5), se procedió a repetir esta prueba con el banco de LEDs 5630, ya que en la caracterización de la iluminación se determinó reducir el tamaño de la matriz a 2x6. La nueva corriente consumida es de 0.224 A para un voltaje de 12V por lo que la potencia consumida por el mismo es de 2,68W. Debido a los resultados expuestos previamente se implementó una tabla que resume los parámetros más importantes de cada banco de LEDs, con el propósito de analizar la elección del banco final de LEDs que será replicado para la iluminación general de un salón




de clase o para una biblioteca. En la tabla ya fueron tenidos en cuenta todos los cambios que implico que la matriz de SMD 5630 no fuese de 4x6 sino de 2x6.

TIPO DE LED LUMINISCENCIA

A 30 Cm (Lux) POTENCIA

CONSUMIDA (W) COSTO POR

LAMPARA (COP) RADIO DEL AREA ILUMINADA (Cm)


510 3,24 3800 17


485 3,72 2680 15


503 2,88 3840 16


400 1,68 14000 11

SMD 5630 620 2,688 2024 23

SMD 3528 403 1,68 4512 10

Tabla 7. Parámetros más relevantes de la caracterización de los bancos de LEDs. De la tabla 7, se puede concluir que el mejor banco de LEDs para utilizar es el SMD 5630 ya que presenta la mayor iluminación de todas las muestras analizadas. Así mismo tiene el menor costo por lámpara, también tiene la mayor capacidad en términos de área iluminada. Finalmente la potencia consumida está dentro de las más bajas, por lo tanto se recomienda usar este tipo de iluminación aquí solo concentrarse en el espacio objetivo de la tesis.

7.1.2 Caracterización generación

Para la etapa de Generación del proyecto se analizó el motor caracterizando sus dos posibles modos de uso, como generador y como motor. Adicionalmente se realizó una revisión bibliográfica sobre los diferentes modos de conectar el motor previamente seleccionado a la bicicleta, para garantizar máxima eficiencia además de establecer las pruebas para el cálculo de la velocidad angular, Voltaje y Corriente generada.

7.1.2.1 Modo generador

En la prueba del generador se realizó el montaje de la Diagrama 6, la cual consta de 2 motores idénticos, el de la izquierda simula el movimiento propio de la bicicleta (impulsa el generador), mientras que el de la derecha es el generador a utilizar en el proyecto.




Diagrama 6. Proceso de caracterización del generador.

Para obtener las variables de interés en esta prueba se utilizó un multímetro (Voltaje y Corriente), mientras que para la velocidad angular se usó un Tacómetro. El procedimiento establecido consiste en variar el voltaje del motor para forzar el movimiento del generador (imagen 15), de tal forma que se modificara el voltaje de salida en un voltio por vez.

Imagen 15. Caracterización del motor a utilizar.




Cabe aclarar que la corriente registrada en este procedimiento es la entregada por el generador al regulador, pues será esta variable la que permita establecer el tiempo total de carga de la batería y la eficiencia del sistema mismo. Para una mejor compresión del comportamiento del motor la gráfica de voltaje vs velocidad angular se presenta en la sección de Modo Motor.

7.1.2.2 Modo Motor

Para la prueba en modo motor se estableció y utilizo el procedimiento presentado en el Diagrama 7.

Diagrama 7. Prueba de generación modo motor. En la caracterización del motor los parámetros más relevantes son el voltaje y la velocidad angular del motor, ya que estas variables serán comparadas con sus similares en la prueba en modo generador y de esta forma establecer posibles pérdidas del sistema. También es fundamental conocer su velocidad angular para poder calcular la relación de diámetros del motor y del disco de pedaleo, de tal forma que el usuario no debe esforzarse para lograr la velocidad que el motor requiere para generar un voltaje útil. En la gráfica 3 se puede observar que para generar un voltaje en particular se necesita aplicarle una mayor velocidad angular al motor que el este genera cuando es alimentado a este mismo voltaje. Este comportamiento se hace más evidente para voltajes grandes, es decir a partir de los 20v.




Gráfica 3. Caracterización del generador y motor utilizados (barras de error incluido).

7.1.3 Caracterización almacenamiento

Debido a que el sistema final tiene la posibilidad de almacenar la energía generada en una Batería, se hace necesario realizar la caracterización de una Batería de Plomo previamente seleccionada a partir de la información recopilada en el marco teórico y acorde con las necesidades mismas del sistema diseñado.

7.1.3.1 Descarga

Se realiza primero la prueba de descarga de la batería debido a su relevancia para este proyecto. Ya que la necesidad energética básica a satisfacer es de 6 horas diarias aplicada a la iluminación implementada bajo esta misma iniciativa. Por lo anterior y teniendo en cuenta los cálculos teóricos la Batería de Plomo seleccionada es de 12 V nominales y 12Ah, es decir que la corriente máxima debe ser de 2 A.

Diagrama 8. Prueba de descarga de Batería de Plomo.

0

500

1000

1500

2000

0 5 10 15 20 25

Ve

loci

dad

An

gula

r (R

PM

)

Voltaje (v)

Voltaje vs Velocidad Angular

Motor

Generador




Imagen 16. Prueba de descarga para una carga de 6Ω

Para obtener dicha corriente es necesario simular una carga a partir de una resistencia de 6Ω a 24W (imagen 16), sin embargo dada la dificultad de encontrar dichas especificaciones comercialmente, se opta por utilizar 2 bloques en paralelo de las siguientes resistencias: dos de 1Ω y una de 10Ω en cada uno de los bloques, siendo todas de 20W. La gráfica que se presenta a continuación representa el valor promedio para cada instante de tiempo de 5 pruebas realizadas utilizando el protocolo anteriormente expuesto.

Gráfica 4. Simulación de descarga para 2 A de consumo por la carga.

10

10,5

11

11,5

12

12,5

0 100 200 300 400

Vo

ltaj

e (

v)

Tiempo (min)

Descarga Bateria para 2 A

Descarga

DESCARGA 2 A




Para conocer el estado de carga de la batería se diseñó un circuito (ver imagen 17) que mida permanentemente el voltaje de la misma e indique a partir de 4 LEDs el porcentaje de carga de la misma, tal como se indica en la siguiente tabla.

CARGA ESTADO BATERIA LED 1 LED 2 LED 3 LED 4 VOLTAJE BATERIA

25%

LA BATERIA ESTA COMPLETAMENTE DESCARGADA

MAS DE 10V

50% LA BATERIA ESTA DESCARGADA

MAS DE 11V

75% LA BATERIA ESTA BIEN CARGADA

MAS DE 12V

100% LA BATERIA ESTA COMPLETAMENTE CARGADA

MAS DE 13V

Tabla 8. Indicador estado de la batería. Cabe aclarar que una batería se encuentra completamente descargada cuando su potencial almacenado es menor a 10 V en el caso de una batería de 12 V nominales. La prueba de carga de la batería, estará implícita en la etapa de generación en el módulo del prototipo. En ese procedimiento se mide la corriente entregada por el Generador, lo que como se había mencionado previamente permite establecer la velocidad de carga de la batería.

Imagen 17. Circuito para medir el estado de la Bateria.




7.1.3.2 Carga

La prueba de carga de la batería, ya se encuentra implícita en la etapa de generación en el módulo del prototipo. Esto se debe a que durante ese procedimiento se mide la corriente entregada por el Generador, lo que como se había mencionado previamente permite establecer la velocidad de carga de la batería.

7.1.4 Caracterización Bicicleta

Para la caracterización de la bicicleta se utilizara un simulador de bicicleta estática como el de la Imagen 17, el cual permite inmovilizar una bicicleta común y corriente, sin obstruir el movimiento de la rueda trasera de la misma. Ya que el objetivo de esta prueba es conocer la velocidad máxima de pedaleo, la velocidad promedio de un adulto y de un niño (uno deportista y no que no lo sea). Finalmente, se realiza una prueba de agotamiento que consiste en pedalear a velocidad promedio hasta que el cuerpo lo permita y así establecer el tiempo máximo de uso. Para lograr esta medición se dispone de un sensor de efecto hall, el cual cambia de estado bajo a alta, en presencia de un campo magnético, el cual será generado en este caso por una imán de Neodimio de forma cilíndrica con dimensiones de 0,5cm x 1cm, que será adherido al rin de la bicicleta y al plato sobre el cual se esté pedaleando. Es importante resaltar que estas prueban deben ser realizadas varias veces con diferentes individuos.

Imagen 18. Simulador bicicleta estática.

En la imagen 18 puede verse el simulador de bicicleta estática propuesto para esta tesis. Adicionalmente, es importante informar que la estructura es graduable en dos de sus componentes, la primera corresponde a la barra de color blanco que une la llanta




delantera con los rodillos y la segunda es la base misma del motor. En el primer caso, la barra se gradúa según el tamaño de la bicicleta, por lo que se puede usar casi cualquier bicicleta. Como segunda medida se puede desplazar el motor hacia adelante o hacia atrás lo que hace que la correa de caucho este más templada o floja, haciendo que sea más suave o duro pedalear. En este caso se debe resaltar que si la correa está muy floja el motor no se genera electricidad, y por el contrario, si está muy templado genera bastante corriente, sin embargo requiere de un esfuerzo físico considerable. Para verificar que las medidas tomadas sean confiables se utilizó un sensor de velocidad para bicicleta comercial, el cual se adaptó para usarlo en llanta trasera y obtener así la velocidad de la llanta. El sistema adquirido entrega la velocidad máxima y promedio adicionalmente informa la velocidad instantánea y la distancia recorrida.

Diagrama 9. Proceso de caracterización de una bicicleta.

A continuación se presenta la gráfica correspondiente a la prueba de velocidad realizada sin motor o carga con niños de 12 a 16 años, esto con el propósito de conocer su comportamiento en la bicicleta. La velocidad promedio establecida para los 6 niños participantes de esta prueba fue de 21,3km/h, mientras que la velocidad mínima corresponde a 14,9km/h y la máxima de 38km/h. De la gráfica 5 puede concluirse que la velocidad en ninguno de los casos es constante aunque sin embargo si se encuentran algunos rangos para algunos de los casos.




Gráfica 5. Velocidad vs Tiempo Caracterización de la velocidad en niños.

La gráfica 6 presenta las velocidades promedio individuales de cada uno de los niños que realizaron la prueba. Es de resaltar, que los valores se encuentran dentro de un rango bastante amplio por lo que desarrollar un sistema para bicicleta estática en el que el motor este fijo en un punto podría traer desventajas. Esto debido a que los niños que tienen menos velocidad al pedalear seguramente tendrán que hacer un mayor esfuerzo físico para alcanzar un valor de velocidad dado que los de mayores velocidades.

Gráfica 6. Velocidad promedio prueba de caracterización con niños sin carga.

A continuación se presentan los resultados obtenidos para la caracterización de las estructura con el motor ya incluido. En la siguiente imagen se tienen los mismos seis casos de niños. Como se puede observar hay una clara disminución en el promedio de la velocidad de pedaleo de todo el grupo.

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ve

loci

dad

llan

ta (

Km

/h)

Tiempo de pedaleo (minutos)

Prueba de velocidad sin carga

NIÑO 13 años

NIÑO 16 años

NIÑO 16 años

NIÑO 12 años

NIÑO 14 años

NIÑO 13 años

0

5

10

15

20

25

30

Niño13

años

Niño16

años

Niño16

años

Niño12

años

Niño14

años

Niños13

años

Ve

loci

dad

(K

m/h

)

Velocidad Promedio

Velocidad Promedio




Gráfica 7. Velocidad de Pedaleo con carga (motor).

La velocidad promedio de los 5 niños de la prueba fue de 15,69 Km/h lo que dista mucho de velocidad alcanzada en la bicicleta sin ningún tipo de resistencia (motor), la cual fue de 21,3 Km/h. Es decir que para un esfuerzo físico equivalente la aceleración aplicada es menor, esto se debe a la tensión que ejerce el motor sobre el rodillo de la estructura. En la gráfica 8 pueden verse las diferentes velocidades promedio alcanzadas por cada uno de los niños haciendo uso del generador.

Gráfica 8. Velocidades promedio de pedaleo con el generador incorporado.

La reducción de la velocidad de pedaleo implica una pérdida de potencia de entrada en el sistema. Este fenómeno afecta directamente la eficiencia del sistema de generación ya que aunque sea eficiente la conversión energética por parte del motor, no se está aprovechando al máximo la velocidad de entrada.

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15

Ve

loci

dad

(km

/min

)

Tiempo (min)

Prueba de velocidad con motor

niño 15 años

niño 13 años

niño 12 años

niño 15 años

niño 15 años

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

niño 16 niño 13 niño 12 niño 15 niño 15

Ve

loci

dad

(K

m/h

)

Individuo

Velocidades Promedio

Series1




Gráfica 9. Velocidad vs Tiempo, Prueba con motor realizada en adultos.

Comparando las gráficas de velocidad generada por los adultos y los niños se claramente como los niños produjeron mayor velocidad sobre la llanta que los adultos. Esto puede deberse a varias razones que mencionare a continuación:

En las pruebas realizadas cada uno de los individuos primero debería escoger la combinación de cambios de la bicicleta, en la cual se sintiera cómodo para realizar el ejercicio por un tiempo prolongado (15 minutos o más). En todos los casos los niños escogieron cambios que requerían un menor esfuerzo físico que los adultos.

La motivación por la cual se pedaleaba pudo influir en la diferencia de velocidad, ya que aunque los niños se les indicio que solo debían pedalear por 15 minutos sin importar el ritmo al cual lo hicieran. Ellos mismos se propusieron superar la velocidad o la distancia recorrida por sus demás compañeros, lo que implico que hubiera más exigencia física por parte de ellos.

La anterior afirmación se ve claramente sustentada en la gráfica de color verde que corresponde al niño de 12 años en la prueba sin motor, ya que él tiene el registro más bajo de todos y en promedio corresponde a la misma velocidad de los adultos. Resalto su registro por que fue el primero en participar y aun no estaban pedaleando la bicicleta de forma competitiva.

Por último, en la prueba de los niños el motor estaba menos tensionado que en el caso de los adultos, es decir que estaba 2mm mas adelante sobre la base del simulador.

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20

Ve

loci

dad

(K

m/h

)

Tiempo (min)

Velocidad adultos con carga

mujer 25 años

mujer 30 años

hombre 25




La velocidad promedio de los 3 adultos que participaron en la prueba con motor fue de 9,31Km/h.

8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO

8.1 Metodología de prueba

Finalmente utilizando la investigación y las caracterizaciones previamente desarrolladas se procede a ensamblar las piezas e implementar el prototipo. Una vez concluido este proceso, se deben realizar las últimas pruebas que corresponden a verificar el voltaje y corriente generada, conocer la velocidad angular óptima del sistema, establecer la eficiencia del mismo, a partir del tiempo de carga y de descarga.

Diagrama 10. Caracterización Prototipo.

Para dichas pruebas se estableció el procedimiento del Diagrama 10. Al igual que con las pruebas desarrollada con la bicicleta esta técnica, también debe ser realizada varias veces con diferentes individuos, con el objetivo de garantizar un óptimo desempeño. Para que el usuario visualice permanentemente la potencia que genera se implementó un circuito con medidores de Corriente y Voltaje análogos que se conectan entre el motor y el regulador, tal como se puede observar en la siguiente imagen.




Imagen 19. Circuito de medición.

Con el sistema de la imagen 19 el usuario podrá conocer la velocidad instantánea a la cual está cargando la batería. Recordemos que para el caso se tiene una batería de 12Ah, porque al conocer la corriente poder obtener la cantidad de horas que se debería pedalear a esta misma velocidad, para que la batería se cargue por completo. La afirmación anterior se hace bajo el supuesto de que la batería siempre esta descargada por completo de lo contrario el tiempo que debe pedalearse siempre será menor al hallado por medio de la ecuación. A continuación se presenta el circuito real implementado (ver imagen 20).

Imagen 20. Circuito implementado para la medición de Corriente y Voltaje generados.

Una vez finalizado el circuito (imagen 19) de medición se procedió a incorporarlo a la estructura de la bicicleta y el generador para realizar las pruebas correspondientes y así caracterizar el sistema totalmente ensamblado.




Gráfica 10. Voltaje vs Tiempo, producido por 6 niños (Barras de error incluidas).

Como se puede ver en las gráficas 10 y 11 el dispositivo de medición desarrollado permite medir el voltaje a lo largo de todo el tiempo de la prueba de forma satisfactoria. También se observar que el voltaje generado por todos y cada uno de los niños es aproximadamente constante en el tiempo. Solo en algunos casos se aprecian picos considerables, sin embargo el voltaje promedio generado fue de 13,23V, es decir que cumple con las necesidades básicas del sistema, para poder almacenar la energía en una Batería de 12V nominales.

Gráfica 11. Voltaje vs Tiempo, prueba con motor en adultos (Barras de error incluidas).

11

12

13

14

15

16

0 5 10 15

Vo

ltaj

e (

v)

Tiempo (min)

Voltaje producido

niño 15 años

niño 13 años

niño 12 años

niño 15 años

niño 15 años

11

12

13

14

15

16

17

0 5 10 15 20

Vo

ltaj

e (

v)

tiempo (min)

Voltajes de salida adultos

mujer 25 años

mujer 30 años

hombre 25 años




En la gráfica 11 se puede ver que para el caso de las dos mujeres que participaron generaron un voltaje inferior al obtenido por los niños. Para este punto se debe hacer una aclaración importante, todos los niños que participaron en la prueba son deportistas activos (personas que hacen ejercicio a diario). Mientras que en el caso de las mujeres adultas, la que está representada por el color azul tiene un nivel físico bajo, sin embargo la representada por el color rojo hace algún ejercicio regularmente. En el caso del hombre que presenta un voltaje considerablemente alto comparativamente con el de las mujeres y con respecto al de los niños, es un deportista de rendimiento medio, que además lleva meses sin hacer deporte alguno. Sin este presento las mayores velocidades de pedaleo registradas en las pruebas.

Gráfica 12. Corriente Vs Tiempo, Prueba realizada en niños (Barras de error incluidas).

La grafica 12 corresponde a las corrientes obtenidas a través del Amperímetro análogo implementado para la bicicleta estática. Como se puede ver la mayoría de los niños están en capacidad de producir entre 200mA y 500mA. Estos resultados implican un tiempo de carga para la Batería de 12 Ah de entre 60 horas y 24 horas, lo cual es muy alto para la necesidad misma del sistema a generar. Lo anterior puede deberse a que la correo del motor estaba demasiado suelta para generar una mayor corriente y por ende mayor potencia. Sin embargo la posición tanto del motor como de los cambios de la bicicleta fueron seleccionados de tal forma que el niño no tuviera que esforzarse, más de lo que lo haría al montar bicicleta en su cotidianidad. Esto implica que para el efectos de mejorar la generación eléctrica se les debe pedir un mayor esfuerzo físico al templar más la correa del motor o buscar aplicaciones y dispositivos de muy bajo consumo para que el tiempo de pedaleo se proporcional al tiempo de uso del dispositivo.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 5 10 15

Co

rrie

nte

(A

)

Tiempo (min)

Corriente generada

niño 16 años

niño 13 años

niño 12 años

niño 15 años

niño 15 años




A continuación se sugieren algunas de las alternativas existentes

Dispositivo Corriente

consumida (mA)

Voltaje requerido (V)

Relación Tiempo Pedaleo/Consumo

Lámpara fabricada en este proyecto

220 12 1,82

Televiso Led 15 Pulgadas 1500 12 0,27

Pantalla para carro 660 12 0,61

Ventilador 100 12 4,00

Tablet Intel 900 5 1,07

PSP 300 5 16,00

Tablet Samsung note 600 5 8,00

Tabla 10. Dispositivos electrónicos de bajo consumo. Adicionalmente a la tabla 10, de dispositivos propuesta anteriormente existe una gran variedad de circuito y sensores de Luz, Temperatura, Humedad etc. Que podrían ser también utilizados.

Gráfica 13. Corriente vs Tiempo (Barras de error incluidas).

De nuevo en la gráfica 13 de corriente de los adultos se puede ver que el individuo de alto rendimiento genera un una corriente considerablemente alta con respecto a los demás sujeto. El valor promedio de este fue de 1,34A, mientas que el valor promedio de las dos mujeres fue de aproximadamente 0,6A, esto implica que la cantidad de horas para cargar por completo la batería seria 9 horas aproximadamente para el caso del hombre y 20 horas para el caso de las mujeres respectivamente. Es decir que aplicando la misma lógica

0,3

0,5

0,7

0,9

1,1

1,3

1,5

0 5 10 15 20

Co

rrie

nte

(A

)

Tiempo (min)

Corriente entregada Adultos

mujer 25 años

mujer30 años

hombre 25 años




de la primera tabla las nuevas relaciones de uso para los mismos dispositivos propuestos son:


consumida (mA)




220 12 2,73

Televiso Led 15 Pulgadas 1500 12 0,40




PSP 300 5 24,00


Tabla 11. Dispositivos electrónicos de bajo consumo (según corriente generada por adultos).

Lo que la tabla 11, de dispositivos electrónicos indica es la cantidad de tiempo que puedo usar ese elemento para 1 minutos de pedaleo (corriente de 0,6A), por ejemplo para el caso del ventilar implica que por cada minuto que pedaleo puedo usar el ventilador durante 6 minutos.

8.2 Validación de los resultados del trabajo

Luego de realizar todas las caracterizaciones correspondientes se procedió a implementar el prototipo completo y realizar el protocolo de pruebas previamente diseñado, para validar los resultados finales de este proyecto. A continuación se presentan los hallazgos obtenidos en términos de la potencia generada. Partiendo de los voltajes y corrientes analizados previamente se calculó la potencia de salida del proyecto para cada una de las pruebas realizadas por los niños obteniendo las proyecciones de la gráfica 14. La potencia promedio de los 5 niños fue de aproximadamente 8W, adicionalmente esta fue constante en el tiempo para algunos de ellos, para los que se debe a la variación de corriente presentada por el motor a lo largo del ejercicio.




Gráfica 14. Potencia generada Vs Tiempo, prueba realizada con los niños (Barras de error

incluidas. Vale la pena mencionar que uno de los niños que presento la mayor potencia eléctrica de forma constante en el tiempo, es de los más bajitos en estatura y de menor edad, por lo tanto ser más alta o de mayor edad no implica necesariamente un mayor rendimiento en términos de generación eléctrica, ni de una mejor estado físico. Para analizar y validar de manera efectiva los datos aquí estipulados se analizó la potencia de entrada del sistema, es decir la potencia o energía consumida por los niños al pedalear. A partir de su masa corporal y su velocidad instantánea se determinó la misma, dando como resultado las siguientes potencias promedio (ver tabla 12).

Individuo Potencia consumida (W)

niño 16 35,24

niño 13 44,17

niño 12 28,53

niño 15 30,55

niño 15 28,48

Tabla 12. Potencia promedio consumida por los niños al pedalear (potencia de entrada)

Unas obtenidas la potencia de salida y de entrada del sistema se calculó la eficiencia de mismo, a partir de las potencias promedio de cada uno de los niños tanto las de entrada como las de salida para cada uno de ellos.

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Po

ten

cia

pro

du

cid

a (w

)

Tíempo (min)

Potencia generada en el tiempo

niño 15 años

niño 13 años

niño 12 años

niño 15 años

niño 15 años




Gráfica 15. Eficiencia de generación del prototipo (niños).

Como se puede ver en la gráfica 15 en promedio el sistema tuvo una eficiencia del 23,8% para el caso de los niños, lo cual es considerablemente bajo. Esto implica que se está aprovechando solamente un cuarto de la potencia humana utilizada para pedalear en la Bicicleta. A continuación se analizara la eficiencia obtenida con las pruebas de los adultos.

Gráfica 16. Potencia generada por adultos (Barras de error incluidas).

De la gráfica 16 se puede concluir que la potencia promedio generada por las mujeres es de 9W, mientras que la del hombre es de casi 20W. Esto implica una generación eléctrica considerablemente mayor con resto a la obtenida por los niños en las pruebas. Pero no necesariamente significa una mayor eficiencia del sistema en general, por lo tanto a continuación se presenta la eficiencia obtenida por los adultos. Para el caso de los adultos se encontró una eficiencia promedio de aproximadamente 30%, la cual es claramente mayor a la alcanzada por lo niños. Esto permite afirmar que la eficiencia del sistema en general depende principalmente de la tensión que presente la

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

30,0%

niño 16 niño 13 niño 12 niño 15 niño 15 promedio

Efic

ien

cia

(%)

Eficiencia de Generación

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Po

ten

cia

(W)

tiempo (min)

Potencia generada Adultos

mujer 25 años

mujer 30 años

hombre 25 años




correa al momento de pedalear. Lo anterior en razón de que los adultos, aunque con una muestra menor de personas en los dos casos pedalearon a una menor velocidad que los niños sin embargo tuvieron una mayor eficiencia.

Gráfica 17. Eficiencia de generación en el caso de adultos

Las principales razones que sustentan esto es que al momento de pedalear el motor se encontraba 2mm mas lejos de la bicicleta que en el caso de los niños y adicionalmente pudo haber influido que utilizaron otro juego de cambios que los niños, lo que en otros términos implica pedalear menos y recorrer una mayor distancia aplicando siempre una mayor esfuerzo físico.

Gráfica 18. Corriente vs Voltaje (pruebas niños) (Barras de error incluidas).

Otra forma de resaltar el efecto que puede llegar a tener la tensión de la correa es la gráfica 18, ya que no se observa claramente con el segundo punto que una mayor velocidad no siempre implico mayor generación eléctrica. Aun cuando mayor velocidad si implique una potencia de entrada esto en relación a que esta depende directamente de la velocidad de pedaleo.

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

mujer 25 años mujer 30 años hombre 25 años

Efic

ien

cia

(%)

Eficiencia de Generación

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00

Co

rrie

nte

(A

)

Velocidad (km/h)

Corriente vs Velocidad

Series2




Para analizar el comportamiento de la lámpara en la cual va ser aplicada la energía eléctrica producida por medio de la bicicleta se implementaron dos pruebas, las cuales corresponden a consumir de forma directa la energía y la segunda de almacenar la energía para usarla posteriormente.

Gráfica 19. Prueba con lámpara directa al generador durante el pedaleo.

La anterior gráfica pretende ilustrar los resultados obtenidos durante la prueba con la lámpara conectada directamente al motor. En ella el 1 representa la lámpara encendida, mientras que el 0 representa la lámpara apagada, como se puede ver solamente hay dos instantes de tiempo en los cuales la potencia suministrada no alcanza a mantener la luz prendida. Es de resaltar que el caso aquí presenta corresponde al niño que tuvo la peor eficiencia en términos de energía eléctrica, por lo tanto en los demás casos no existió ningún momento donde luz diseñada para este proyecto se apagara. Para la segundo prueba se cargó por completo la batería de 12V nominales de 12Ah obteniendo los siguientes datos (ver grafica 20).

Gráfica 20. Descarga real de batería usando lámparas como carga (Barras de error

incluidas).

0

1

0 5 10 15 20

ON

= 1

OFF

= 0

Tiempo (min)

Estado de la Luz

ESTADO LUZ

10

10,5

11

11,5

12

12,5

13

0 50 100 150 200 250 300 350

Vo

ltaj

e (

V)

Tiempo (min)

Descarga bateria con Luz de mesa

Estado Bateria




En la gráfica correspondiente a la descarga real de Batería, se puede observar que el tiempo total fue de 320 minutos lo que equivale a 5 horas 20 minutos, es decir que no se cumple el supuesto de dar 6 horas de luz con esta batería. Las razones son:

Aunque la lámpara o banco de Leds escogido presento la mayor iluminación y menor consumo posible entre las diferentes propuestas analizadas se requiere un mínimo de 10 lámparas para alumbrar toda la mesa cumpliendo la normativa técnica colombiana.

Dicha cantidad de lámparas equivale a dos metros de LEDs lo que representa un consumo de 2,2 A.

La prueba real dio como resultado una mayor cantidad de tiempo debido a que las pruebas iniciales se hicieron con una carga inicial de 12,2 V, mientras que para esta se llevó al máximo la batería obteniendo un voltaje de 12,47 V.

Si bien la prueba fue realizada hasta 10 V, se recomienda que el usuario descargue la batería únicamente hasta los 11 V ya que así previene en mayor medida el daño permanente de la batería.

La siguiente grafica es un plano de mostrativo de la ubicación exacta de cada una de las 10 lámparas sobre una de las mesas de la biblioteca existente en la Granja del Padre Luna. Estas mesas tienen 190cm x 90cm tal como se puede ver en la imagen.

Imagen 21. Acomodación de las lámparas diseñadas en una mesa de la Biblioteca de la

Granja (Vista aérea de la mesa). Como se puede ver en la imagen 21, cada uno de los focos corresponde a la circunferencia con línea continua, mientras que el área iluminada por cada una de estas se encuentra representada por cada una de las circunferencias con línea punteada. Así mismo las




dimensiones del grafico indican que la distancia entre lámparas debe ser de aproximadamente 50 centímetros entre sí, para cubrir la mayor cantidad de área sobre la mesa con cada una de ellas.

Imagen 22. Cuarto de prueba luz.

Con el ánimo de establecer una comparación entre la cantidad de luz implementada para cada una de las mesas de la biblioteca del Padre Luna, en términos de luz y energía eléctrica. Se realizó la prueba de luz en una habitación de apartamento con medidas aproximadas de 2,5m x 3m, en el que se posicionaron dos tiras del LED referencia SMD 5630, es decir la misma de las lámparas, de un metro cada una. De manera tal que cada una quedara a 75 cm de la cada extremo (tal como la indica la imagen 22) con el propósito de abarcar la mayor cantidad de espacio con cada una de estas. Los resultados obtenidos es que el área dibujada con línea punteada es el espacio que alcanza a iluminar cada una de las tiras cumpliendo la normativa técnica para habitaciones de hogar. La cual indica una intensidad lumínica mínima de 100 Lux y una media de 200 Lux, esto implica que con 2 metros de LEDs se puede alumbrar área de aproximadamente 2,5m x 2,25m. Hay que resaltar que en sectores de extrema pobreza una habitación tiene menor área que la aquí citada.

8.2.1 Propuesta alternativa

Con el objetivo de aumentar la eficiencia de este proyecto se presentara a continuación una segunda alternativa de estructura para la bicicleta estática (imagen 23). A diferencia del modelo inicial esta estructura no es variable y únicamente está construida para modelos de bicicletas similares al utilizado en este proyecto (Bicicletas que usen Rin 24’).




Imagen 23. Estructura alternativa para bicicleta estática.

Para ilustrar las diferencias las posibles diferencias en términos de desempeño y eficiencia de esta nueva estructura se procedió a realizar todo el protocolo de prueba desarrollado para el anterior prototipo. Sin embargo en este caso solo se implementó la prueba con la misma persona de 25 años que hizo el ensayo anterior.

Gráfica 21. Velocidad vs Voltaje de adulto (Barras de error incluidas).

Con el propósito de poder comparar las dos estructuras correctamente se utilizó el mismo cambio en ambos ensayos, de tal manera que la variación de la velocidad dependiera exclusivamente del pedalista y de la estructura misma. En la gráfica 21 los resultados son

8

9

10

11

12

13

14

15

16

0 5 10 15

Ve

loci

dad

llan

ta (

km/m

in)

Tiempo (min)

Velocidad vs Tiempo

Nueva estructura

Antigua estrucutra




evidentes, el 96% del tiempo el ciclista fue más veloz con la nuevas estructura que con la anterior. La nueva velocidad promedio fue de 12,46Km/h.

Gráfica 22. Voltaje vs Tiempo, para los dos casos de prueba (Barras de error incluidas).

Contrario a lo sucedido en términos de la velocidad, para el caso del voltaje se encuentra que el 96% del tiempo el voltaje obtenido con la estructura antigua es superior en aproximadamente 1V al de la estructura nueva. En promedio el nuevo voltaje fue de 15,14V mientras que la otra fue 16,34V.

Gráfica 23 Corriente vs Tiempo para los dos casos de prueba (Barras de error incluidas).

Para el caso de la corriente, la anterior grafica ilustra que el 100% del tiempo los valores encontrados para la nueva estructura, duplican los hallados con la anterior. La corriente

14

14,5

15

15,5

16

16,5

17

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Vo

ltaj

e (

V)

Tiempo (min)

Voltaje vs Tiempo

Nueva

Antigua

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Co

rrie

nte

(A

)

Tiempo (min)

Corriente vs Tiempo

Nueva

Antigua




nueva corriente promedio es de 3,08A, esto quiere decir que tiempo que se demoraría en cargar por completo la batería es de aproximadamente 4 horas. En otras palabras podría ser cargada por unos 18 niños pedaleando cada uno 15 minutos, asumiendo que estos generen un poco menos que el sujeto de prueba. Estos serían los posibles usos por cada minuto de pedaleo (ver tabla 13).


consumida (mA)




220 12 14,00

Televiso LED 15 Pulgadas 1500 12 2,05




PSP 300 5 123,20


Tabla 13. Posibles usos de la electricidad producida. Finalmente se presenta la potencia producida en los dos casos aquí evaluados.

Gráfica 24. Potencia generada vs Tiempo para los dos casos de estudio.

Como era de esperarse la potencia de salida utilizando la nueva estructura es más del doble de la generada en las prueba con la anterior armazón. La nueva eficiencia alcanzada fue de 58%. Resumiendo los diferentes parámetros propios de cada estructura se presenta la siguiente tabla.

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Po

ten

cia

(W)

Tiempo (min)

Potencia vs Tiempo

Nueva

Antigua




Parámetros Nueva Base Antigua Base

Eficiencia 58% 37%

Graduable no si

Costo 65.000 120.000

Velocidad 12,4 Km/h 9,4 Km/h

Tabla 14 Parámetros principales de cada base.

Como se puede ver en la tabla 14, la segunda estructura es mejor en términos generales a pesar de que solo se puede usar para un único tamaño de Bicicleta.

8.3 Evaluación del plan de trabajo

Las actividades realizadas en el desarrollo de trabajo en la mayoría de los casos se ajustó al plan de trabajo diseñado en la propuesta de tesis, cabe resaltar que solo dos de las pruebas aquí expuestas no fueron planteadas inicialmente, las cuales son: la prueba de área de iluminación y la de concentrar la luz en un solo punto para despreciar la geometría del foco.

Uno de los problemas presentados dentro del desarrollo del sistema, fue la falta de autorización por parte de la Universidad para ir a la Granja del Padre Luna en Guasca por razones de orden público. Esto atraso la caracterización de la segunda estructura y es por eso que solo se probó con una persona. Esto pudo haber sido prevenido si desde la planeación misma del calendario de la tesis se hubiese establecido la fabricación del mecanismo físico de forma paralela a la caracterización de la iluminación.

Los protocolos y caracterizaciones propuestas permitieron obtener los valores propios del sistema tal y como se esperaba, logrando así conocer la eficiencia para cada uno de caso necesarios.

9 DISCUSIÓN

La caracterización de la iluminación LED permitió establecer que los LED de tecnología SMD 5630 son los más indicados para el objetivo del proyecto, ya que son de bajo consumo de alta luminiscencia. Esta tecnología puede ser implementada según los resultados, no solamente en lámparas de escritorio, sino como iluminación general en habitaciones. Esto es posible debido a que a un metro de distancia la matriz de LED de 4x6 permite una luminiscencia de 100 Lux que corresponde al mínimo de la norma técnica para habitaciones. La potencia consumida por dos metros de este tipo de LED equivale a unos 25W, valor que es posible generar con la segunda estructura propuestas, teniendo en cuenta que una persona que normalmente no hace ejercicio logro una corriente de 3 A promedio. Es decir que genera una potencia por segundo de 36W, en otras palabras cada minuto de pedaleo,




equivale a un minuto de iluminación para un espacio de aproximadamente 2m x 2.5m. Tal como se especificó en la tabla de posibles usos de la energía, también está la posibilidad de usar una Tablet durante 5 o 6 minutos por cada minuto de ejercicios. En términos de costos el proyecto es complemente viable, si se tiene en cuenta únicamente los elementos utilizados para la construcción del prototipo los cuales son presentados en la sección 13.2, el valor total del prototipo es de 395.000 pesos colombianos. Si se tiene en cuenta las dimensiones de las viviendas de interés social que son más grandes que las existentes en los sectores más desfavorecidos, se podría dar luz a toda la casa si cada uno de los miembros de la familia (mínimo 5 personas) contara con una bicicleta. Es importante resaltar que aunque los prototipos desarrollados para este proyecto fueron realizar en materiales metálicos, la estructura podría ser hecha con cualquier material resistente como madera o bambú lo que reduciría aún más los costos. La eficiencia misma del mecanismo también se podría incrementar haciendo uso de un motor con mayor torque o de más potencia, sin embargo esto afectaría directamente el costo final del proyecto, ya que lo elevaría significativamente. Para tener un mejor análisis de los resultados aquí presentados, hace falta profundizar en procedimientos que permitan establecer la potencia generada por el cuerpo humano al pedalear. Explorar la posibilidad de que el motor utilizado sea el eje mismo de la llanta, lo que teóricamente reduciría las pérdidas del sistema debido a la fricción. Teniendo en cuenta que en las áreas de influencia de este proyecto, los posibles usuarios del sistema tienen un sueldo diario o jornal de entre 20.000 y 25.000 COP para jornadas de hasta 9 horas se estima que el costo por vatio generado con la bicicleta es de 77,16 COP. La anterior afirmación es válida, siempre y cuando la persona pedalee durante una hora y genere en promedio 3 A/s. Este proyecto se vio afectado debido al Paro Nacional que se dio en el País, de forma paralela al desarrollo de esta investigación, lo que impidió una mayor cantidad de pruebas en el lugar de instalación.

10 TRABAJO FUTURO

Para realizar un prototipo más eficiente eléctricamente sería fundamental analizar la construcción misma del motor, en términos de sus embobinados, así como el torque y potencia del mismo.




Con el propósito de hacer más recreativo el uso de la bicicleta en el caso de los niños podría implementarse un video juego como incentivo, que también funcione con la electricidad generada a partir del pedaleo. Desarrollar dispositivos de uso diario que puedan ser utilizados con la energía generada por el prototipo es decir que no excedan un consumo de 36W, con el objetivo de que por cada minuto de pedaleo el aparato pueda ser utilizado durante un minuto o más.

11 CONCLUSIONES

Se logró generar energía eléctrica por medio de una bicicleta a partir de dos modelos de prototipo completamente diferentes, obteniendo resultados de potencias hasta de 36W/s en la base más sencilla. Se construyó una lista de dispositivos electrónicos que podrían ser utilizados, a partir de la electricidad generada al pedalear la bicicleta, con tiempo de uso de hasta 6 minutos por cada minuto de ejercicio realizado. El uso de una bicicleta todo terreno o de cambios y una estructura ecualizable permitieron efectivamente que el usuario escoja la fuerza que desea realizar al momento de pedalear, produciendo más o menos energía dependiendo de la velocidad de giro de la llanta. Si es posible iluminar una habitación cuyas dimensiones no superen los 5 metros cuadrados, durante aproximadamente 5 horas y media, siempre y cuando se haya cargado por completo la batería del sistema. Lo anterior implica haber realizado 4 horas y media de ejercicio sobre la bicicleta. Se pudo establecer los LED SMD 5630 como la mejor tecnología de iluminación dentro del banco de dispositivos analizados en este proyecto. Esto debido a su alta luminosidad, bajo consumo de potencia eléctrica y su bajo costo en el mercado. El costo final del prototipo (395.000 pesos colombianos) y su eficiencia de hasta del 55%, permiten establecer el proyecto como una solución factible para familias de escasos recursos en Zonas No Interconectadas. Este proyecto de grado fue postulado para la financiación del mismo por parte de un ente internacional.




12 REFERENCIAS [1]. R. Kyte. (2013, Mayo) Publicación del primer conjunto de datos mundiales sobre el acceso a la electricidad, la energía renovable y la eficiencia energética. Presentado en informe [En línea] Disponible:http://www.bancomundial.org/es/news/press-release/2013/05/28/first-set-of-global-data-on-energy-access-renewable-energy-and-energy-efficiency-released. [2] C. E. Neira. (2012, Noviembre) Es posible promover soluciones energéticas sostenibles en las ZNI. Presentado en 8º Simposio Internacional de Energía. [En línea] Disponible:http://www.ipse.gov.co/ipseactual2013/index.php?option=com_content&view=article&id=501%3Aes-posible-promover-soluciones-energeticas-sostenibles-en-las-zni&catid=331%3Aboletines-viii-simposio&Itemid=788&lang=es. [3 [9]]. Alcaldía Mayor de Bogotá. (2010, Marzo), Continuación Anexo General del Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público. Resolución No. 180540. [En línea] Disponible: http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/adminverblobawa?tabla=T_NORMA_ARCHIVO&p_NORMFIL_ID=431&f_NORMFIL_FILE=X&inputfileext=NORMFIL_FILENAME [4] S. Tania (2010, Agosto) Un Techo para mi País sigue apoyando, Diario la Prensa. Artículo. [En línea] Disponible: http://www.laprensa.com.ni/2010/08/30/nacionales/36185-techo-mi-pais-sigue. [5] Ciudadano (2008, Septiembre) `Apretaditos` en las viviendas de interés social, Línea Ciudadana, Revista Semana [En línea] Disponible: http://www.semana.com/nacion/linea-ciudadana/articulo/apretaditos-viviendas-interes-social/95816-3 [6] Ideas para el cambio, Convocatoria Colciencias, Necesidades priorizadas. [En línea]. Disponible en http://www.ideasparaelcambio.gov.co./2013/pacificopuraenergia/necesidades_priorizadas/view/41/ [7]. Energías Renovables (2014, Marzo). [En línea] Disponible: http://www.energiarenovable.com/geotermica/index.html [8] Los generadores Eléctricos, Endesa Educa, [En línea] Disponible: http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/v.-funcionamento-basico-de-generadores [10] [11] A.R. Mechtenberg, K. Borchers, E. Wokulira Miyingo, F. Hormasji, A. Hariharan, J. Vianney Makanda, M. Kizza Musaazi, Human power (HP) as a viable electricity portfolio option below 20W/Capita, Energy for Sustainable Development, Volume 16, Issue 2, June 2012, Pages 125-145, ISSN 0973-0826, http://dx.doi.org/10.1016/j.esd.2011.12.006. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0973082611001116

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http://www.energiarenovable.com/geotermica/index.html

http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/v.-funcionamento-basico-de-generadores

http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/v.-funcionamento-basico-de-generadores

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0973082611001116




[12] M. Rajesh Kannan; N. Lekshmi M.; V. Meera; S. Shreeja, "Pedalite: Lighting up Lives in Un-electrified Villages," Global Humanitarian Technology Conference (GHTC), 2012 IEEE , vol., no., pp.12,17, 21-24 Oct. 2012 doi: 10.1109/GHTC.2012.61. [13] C.F Nuñez, J.O Flores, G.A Osma, G Ordoñez, Diseño de un sistema de generación de energía eléctrica a partir de bicicletas estáticas, Escuela de Ingenierías Eléctrica y Electrónica , Universidad Industrial de Santander, Sede Bucaramanga. [14] Instituto de Planeación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No Interconectadas (IPSE), (2013, Noviembre) Rendición de cuentas 2013, [En línea], Disponible en: http://www.ipse.gov.co/ipse/informacion-institucional/planes/plan-nacional-de-desarrollo [15] Instituto de Planeación y Promoción de Soluciones Energéticas para las Zonas No Interconectadas (IPSE), Avanza hacia la sostenibilidad energética en zonas aisladas, (2012, Diciembre) VIII Simposio Internación de Energía, Revista Ecovatios 7ª Edición, [En línea], disponible en http://www.ipse.gov.co/ipse/comunicaciones-ipse/publicaciones/ecovatios

13 APENDICES

13.1 Prepuesto Materiales

Elemento Costo (COP)

Bicicleta 100.000

Base para bicicleta propuesta 1 100.000

Base para bicicleta propuesta 2 60.000

Tira de LED SMD 5050 150Ω 10.000



Tira de LED SMD 5630 12.000

Tira de LED SMD 2830 12.000

Voltímetro Análogo 13.000

Batería 12V 12 Ah 75.000

Regulador 20V 10A 65.000

Amperímetro Análogo 13.000

Motor 24V120W 50.000

http://www.ipse.gov.co/ipse/informacion-institucional/planes/plan-nacional-de-desarrollo

http://www.ipse.gov.co/ipse/comunicaciones-ipse/publicaciones/ecovatios




13.2 Anexos

Anexo 1. Procedimiento general para el desarrollo de una bicicleta generadora de Luz.




Anexo 2. Normativa técnica colombiana.

generación de energía eléctrica a partir del potencial

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