Generador eólico para vehículos eléctricos EcoTec

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Instituto Tecnológico de Querétaro Proyecto de investigación aplicada Materia: Taller de investigación I Código de la materia: ACA0909 Nombre del equipo: EcoTec Querétaro, Qro Fecha: 30-05-2013 2013

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO

Ciencia ● Técnica

Instituto Tecnológico de Querétaro

Proyecto de investigación aplicada

Materia: Taller de investigación I

Código de la materia: ACA0909

Nombre del equipo: EcoTec

Querétaro, Qro

Fecha: 30-05-2013

2013

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Índice de términos:

Título: Generador eólico para vehículos eléctricos Materia: Taller de investigación I

Fecha: 30/05/2013 No. de participantes: 3

1) Resumen 3

2) Introducción 4

3) Descripción 6

3.1) Antecedentes de solución 6

3.2) Precisión de problema 7

4) Objetivos y Metas 11

4.1) Objetivo General 11

4.2) Objetivos Específicos 12

4.3) Metas 12

4.4) Alcances y limitaciones 12

4.5) Impacto esperado 14

5) Programa de actividades 15

5.1) Descripción de actividades 16

6) Costos 17

7) Bibliografía 18

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Resumen

El uso actual de vehículos de motor de combustión interna representa una de las causas principales de contaminación atmosférica. Una solución de este problema es el uso del vehículo eléctrico.

Los vehículos eléctricos actuales todavía presentan grandes desventajas como son su baja autonomía y el uso de estaciones de recarga que generalmente obtienen su energía eléctrica de la combustión de elementos como el carbón, por lo cual se sigue contaminando la atmósfera.

El sistema de generador eólico para vehículos eléctricos es un proyecto que propone el uso de un generador eólico acoplado a un vehículo eléctrico y, que aprovechará las corrientes de aire que choquen con el vehículo al momento de encontrarse este en movimiento, lo cual permitirá la generación y posterior almacenamiento de energía eléctrica.

El proyecto consistirá en hacer un control de variables entrada como son la velocidad del viento que choque contra el vehículo, la velocidad de rotación de las aspas del generador, la energía gastada por el motor eléctrico del vehículo y comparar estos datos con respecto a variables de salida como el voltaje generado y almacenado. Con esto se pretende descubrir las ventajas y desventajas de acoplar un generador eólico en un vehículo eléctrico.

Entre los objetivos de este sistema se encuentra el de lograr una autonomía de por lo menos cincuenta por ciento más en vehículos eléctricos que con respecto a los vehículos actuales y el de reducir la contaminación de la atmósfera al aumentar el uso de dichos vehículos.

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Introducción

Hoy en día, entre los principales problemas de contaminación, se encuentra el de la

contaminación atmosférica. Este tipo de contaminación se refiere a la cantidad de

sustancias presentes en la atmósfera y que puede perjudicar la salud de las personas y

la de otros seres vivos.

Entre los agentes que actúan como sustancias nocivas y que llegan a la atmósfera está

el monóxido de carbono, el cual es el resultado de la combustión incompleta. También

conocido como óxido de carbono, es un gas de tipo inodoro, incoloro, inflamable y

sobretodo muy tóxico que provoca la muerte si se respira en grandes concentraciones.

El monóxido de carbono se produce cuando ocurre una combustión deficiente o

incompleta de algunas sustancias tales como el gas butano, la gasolina, el carbón, el

petróleo y la madera. Los vehículos de combustión interna que se encuentren en algún

momento dado detenidos y con el motor encendido también lo generan.

Entre algunas de las soluciones creadas para combatir el aumento de la contaminación

atmosférica se encuentra la del vehículo eléctrico, el cual no posee un motor de

combustión interna que produzca monóxido de carbono. El vehículo eléctrico basa su

funcionamiento en el uso del motor eléctrico para proveerlo de tracción.

El vehículo eléctrico puede obtener su energía de varias fuentes, como son por medio

de una alimentación exterior como en un tren eléctrico, por medio de energía solar

con placas fotovoltaicas y al estar parado por medio de un sistema de recarga.

Cualquier de estas formas tiene múltiples desventajas como son la eficiencia

energética menor en comparación a un motor de combustión y el tiempo de recarga

del vehículo.

Las baterías que tienen una duración de más de cuatrocientos kilómetros en forma

autónoma pueden llegar a ser muy costosas, sin hablar del tiempo que dura su

recarga, el cual llega hasta nueve horas. La contaminación se sigue produciendo al

utilizar baterías ya que la energía eléctrica de recarga se obtiene de la combustión de

materias primas como es el carbón, además el vehículo requiere de recargas

constantes lo cual reduce la autonomía del mismo

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El vehículo eléctrico aun así presenta varias ventajas que son razones suficientes para

buscar solucionar sus principales dificultades. Entre estas ventajas podemos encontrar

la menor producción de monóxido de carbono que en un vehículo común, no

producen contaminación acústica, no hay uso de petróleo como combustible, su

mantenimiento es más simple y hay mayor par de motor.

Se puede hacer uso de fuentes de energía renovables para abastecer al vehículo

eléctrico y de esta forma obtener una mayor autonomía en el mismo, además de

reducir la necesidad de la quema de materias primas como el carbón para obtener la

energía eléctrica.

Las fuentes de energía se refieren a aquellas que pueden transformarse en energías

aprovechables. Entre las fuentes de energía renovables están la energía eólica,

geotérmica, solar, mareomotriz, etc.

Entre los tipos de energías renovables, como ya se mencionó anteriormente, se

encuentra la energía eólica. La energía eólica es un tipo de energía abundante y

limpia. Uno de sus principales inconvenientes es que las corrientes de viento no son

constantes.

La energía eólica se refiere a la energía que se obtiene del viento, o en términos físicos

podemos decir que “La energía eólica no es más que la energía cinética de una masa

de aire en movimiento” [1]. Actualmente este tipo de energía es usada principalmente

para obtener energía eléctrica, los dispositivos que lo permiten se conocen como

generadores eólicos.

Un generador eólico básicamente consta de una máquina eléctrica conocida como

generador eléctrico, el cual permite transformar la energía mecánica en energía

eléctrica. Utilizando una turbina con aspas acoplada al generador y que se mueva

mediante el viento es posible transformar la energía eólica a energía eléctrica.

Al hablar de un sistema generador eólico es necesario introducir el término “variable”.

Una variable, como su nombre lo indica, se refiere a una cantidad que varía o que

puede variar. Al hablar de variables también es necesario hablar de variables de causa

y variables de efecto. Las variables de causa son aquellas que se refieren a cantidades

de entrada a nuestro sistema y cuyo valor repercutirá en las cantidades de salida de

nuestro sistema o en su defecto variables de efecto.

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Este trabajo apunta principalmente a la utilización combinada entre un generador

eólico y un vehículo eléctrico, es decir, de un vehículo que a partir de un generador

eólico implantado en el mismo pueda obtener energía por medio de la eólica y para su

posterior transformación y almacenamiento en energía eléctrica.

Surge la idea de un generador eólico en vehículos eléctricos debido a las desventajas

de dichos vehículos, es decir, su poca autonomía, su extenso tiempo de recarga y las

pocas estaciones de recarga y a veces con difícil acceso.

Mediante la implantación del generador eólico en el vehículo eléctrico se espera

aumentar la autonomía del vehículo al permitir la recarga del mismo en tiempo de

conducción, lo cual ya se puede considerar como innovador debido a la utilización de la

energía eólica en un transporte.

La sostenibilidad se puede apreciar en este sistema de generador eólico al impulsar el

uso de vehículos que producen cero emisiones de gases como el dióxido de carbono, lo

cual significa menos contaminación y, por lo tanto, menos daño al ambiente y a seres

vivos.

Pensando en lo viable, el proyecto inicialmente puede ser implantado a pequeña

escala, es decir, en un principio ocupando componentes de menor tamaño y por ende

de bajo costo. Estos componentes serán de prueba y arrojarán resultados sobre las

posibilidades del proyecto de tal forma que se pueda proseguir a la siguiente fase para

una implantación a mayor escala.

Descripción

Antecedentes de solución

Recarga inalámbrica para autos eléctricos: se refiere a una tecnología que permite la

recarga de los autos eléctricos que no necesita una conexión mecánica entre el auto

eléctrico y el poste de donde se obtiene la energía eléctrica. Esta solución “funcionará

gracias a unos sistemas de bobinas que se integran en las placas” [2], una de estas

bobinas se colocaría en el suelo y la otra en la parte inferior del coche por inducción.

Se rechazó esta opción de solución debido a que se sigue requiriendo una estación de

recarga y por ende no hay una gran autonomía, además de que los extensivos tiempos

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de recarga serian los mismos y la energía eléctrica obtenida podría seguir requiriendo

de la quema de carbón en estaciones de generación de energía eléctrica.

Sistema de carga por inducción para autos eléctricos: se refiere a un sistema que

funciona mediante inducción y que permite la acumulación del excedente generado de

energía solar o eólica y para su posterior utilización en vehículos eléctricos. Se rechazó

esta opción como posible solución debido a que al igual que la recarga inalámbrica

para autos eléctricos se sigue requiriendo de una estación de recarga, lo cual le quita

autonomía al vehículo. Aunque la ventaja de este sistema radica en usar energías

renovables como solar y eólico para la obtención de energía eléctrica.

Precisión del problema

La energía eólica se basa en la utilización de energía cinética que se encuentra en una

masa de aire en movimiento. La energía eólica se origina por la existencia en la Tierra

de múltiples masas de aire que tienen diferentes temperaturas, según la energía solar

o radiación que llegue directamente a las mismas, lo cual forma anillos de circulación

de aire.

El aprovechamiento de este tipo de energía es mediante su transformación a energía

mecánica que ocurre al girar un eje de una turbina eólica. Dicha energía mecánica

posteriormente se puede utilizar y transformarse en energía potencial (bombeo de

fluidos) o en energía eléctrica.

El generador eólico para el vehículo eléctrico se acoplará en la parte frontal del motor

y justo atrás de la parrilla delantera, es decir, debajo del cofre. Esta posición del

generador evita comprometer la aerodinámica del automóvil y por consecuencia su

eficiencia.

El generador eólico para vehículos eléctricos, se basa en el aprovechamiento del aire

que entra por la rejilla frontal de un vehículo(Fig.2) cuando este está en movimiento,

para producir energía eléctrica; el aire entrará por la rejilla frontal y debidamente

encauzado se dirigirá hacia las palas, que unidas al eje harán girar a este, generando un

movimiento que se transmitirá al eje del rotor que pondrá en marcha los

generadores(Fig.1) , produciéndose energía eléctrica la cual se enviará a acumuladores

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eléctricos empleándose esta energía en alimentar el motor eléctrico del que esté

dotado el vehículo.

Fig. 1 Fig. 2

Elementos del generador eólico (Fig. 1):

1. Palas o aspas. 2. Eje. 3. Generador de electricidad.

El término variable se puede definir como toda aquella característica o cualidad que identifica a una realidad y que se puede medir, controlar y estudiar mediante un proceso de investigación. Variables causa:

Entre las variables causa que podemos resaltar del proyecto se encuentran las

siguientes:

Velocidad del vehículo

La velocidad del vehículo se refiere a la velocidad promedio del vehículo al recorrer

una determinada distancia. Esta variable será controlada debido a que dará una

idea sobre la velocidad óptima necesaria para la generación de energía eléctrica

suficiente para el vehículo.

Aire

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La velocidad promedio del vehículo se puede obtener mediante el velocímetro del

vehículo, del cual se harán lecturas a intervalos regulares de tiempo y al final serán

promediadas.

Velocidad del viento

Esta variable se refiere a la velocidad con la cual el aire llegará a las aspas del

generador eólico, esta variable permitirá tener un control sobre la velocidad

necesaria del viento para lograr una adecuada generación de energía eléctrica.

Puede parecer redundante el control de esta variable para el proyecto, ya que el

control de la velocidad del vehículo determina en gran medida la velocidad óptima

necesaria para la generación de energía eléctrica, pero también es necesario tomar

en cuenta factores externos al vehículo como son el clima y por tal motivo se

tomará en cuenta esta variable.

El anemómetro es un aparato que permite medir la velocidad del viento,

generalmente se usa en meteorología, pero es posible adaptarlo y medir la

velocidad del viento en el vehículo. El anemómetro se utilizará para controlar esta

variable.

Fig. 3

Velocidad angular de las aspas del generador eólico

Se refiere a la revoluciones con respecto al tiempo que el eje del generador tendrá

al momento de moverse debido a las corrientes de aire. La velocidad angular es un

factor importante a tomar en cuenta ya que la energía eléctrica producida por el

generador es directamente proporcional a la velocidad angular con que se mueva

su eje.

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El control de esta variable dará una idea sobre la posición óptima de la turbina del

generador eólico dentro del vehículo.

Para el control de esta variable se utilizará un aparato de medición conocido como

tacómetro, el cual permite medir la velocidad de giro de un eje, el eje del cual se

medirá la velocidad angular es el eje del generador eólico.

Fig. 4

Variables efecto:

Entre las variables efecto que podemos resaltar de nuestro proyecto están las

siguientes:

Voltaje y corriente suministradas al acumulador

Tomar en cuenta la energía eléctrica que el generador producirá para llevar un

control sobre la energía que será almacenada en el acumulador (Fig. 5).

Para la medición del voltaje y corriente suministrados al acumulador se usará un

multímetro, el cual permite medir la corriente y el voltaje para diferentes

rangos.

Fig. 5

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Principio físico de funcionamiento

Algunos principios físicos en base a los cuales se explica el funcionamiento del sistema generador eólico se pueden encontrar en la dinámica de fluidos.

Considérese algunas líneas de flujo que corren alrededor del ala de un avión, como se aprecia en la imagen a continuación:

Como se puede apreciar en la imagen la corriente de aire ejerce una fuerza formada por dos componentes en el ala del avión, una componente horizontal llamada resistencia al avance y una componente vertical llamada sustentación.

El vehículo eléctrico al estar en movimiento también tendrá aplicadas las dos componentes de fuerza debido a la corriente del viento. El generador eólico estará acoplado internamente en el automóvil y al frente del mismo, con esto se intenta reducir al máximo la componente de fuerza de resistencia al avance debido al viento y de esta forma no afectar la aerodinámica del vehículo.

Asimismo se pretende utilizar la parrilla del vehículo como medio de entrada de la corriente de aire para mover las aspas del generador eólico.

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Objetivos y metas

Objetivo general.

• Aprovechar la energía eólica que se genera dentro de un vehículo al estar en movimiento para la alimentación de su motor eléctrico.

Objetivos específicos.

• Aumentar la autonomía del vehículo.

• Disminuir el tiempo de recarga de la batería en sub-estaciones o en casa al igual que los costos.

Metas

Se espera que al lograr al menos un 30% más en la autonomía del vehículo se logre

impulsar el uso de vehículos eléctricos de recarga por generador eólico. A su vez se

espera que se logre un 20% más rápido en cuanto a la recarga del vehículo, tomando

en cuenta que un vehículo eléctrico convencional se tarda alrededor de 4 horas en

cargarse en una subestación, con esta innovación tardara 3.2 horas en hacerlo.

Alcances y limitaciones

Se espera alcanzar en el proyecto de generador eólico para vehículos eléctricos dotar al mismo de una mayor autonomía, al menos en un 50% más de la autonomía del vehículo eléctrico actual promedio, así como reducir los tiempos de recargar que rondan alrededor de 8 horas.

Entre las principales limitaciones de este proyecto, y por las cuales no se espera dotar completamente de autonomía al vehículo, están la aerodinámica del coche. La eficiencia de los generadores eólicos no es perfecta y “por razones técnicas, es imposible extraer toda la energía cinética existente en una corriente de aire” [3].

Al intentar lograr una mayor eficiencia del generador eólico y variar su posición en el automóvil para que reciba corrientes de aire en el ángulo correcto, también se puede comprometer la aerodinámica al modificar el diseño original del vehículo y mediante esto aumentar su resistencia al viento. La mayor resistencia al viento se traduce en mayor consumo de gasolina y por ende mayor gasto de dinero.

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El vehículo no siempre viajará a una velocidad óptima necesaria para la generación de energía eléctrica, es decir, en grandes ciudades en donde el tráfico es un gran problema el vehículo tendrá que hacer múltiples paradas e ir a bajas velocidades. Las bajas velocidades del vehículo tal vez no sean suficientes para el movimiento de las aspas del generador eólico.

Otro problema al cual se puede enfrentar el vehículo en la ciudad son otros vehículos de un mayor tamaño al mismo y, los cuales al estar moviéndose enfrente, pueden resultar ser un obstáculo para las corrientes de aire necesarias para el movimiento del generador.

El clima puede ser un factor que altere el funcionamiento normal del generador eólico. En lugares en donde se cuente con climas extremos, por ejemplo tormentas y huracanes, las corrientes de aire tendrán un aumento significativo en su velocidad y de esta forma tal vez puedan dañar al generador. Aunque desde otro punto de vista puede ser posible utilizar las corrientes de aire en climas extremos a favor del generador, esto mediante el movimiento del mismo inclusive al estar parado el vehículo y, por lo tanto, lograr una recarga completamente independiente al movimiento del vehículo.

En cuanto al mantenimiento del generador eólico se puede decir que es considerablemente simple debido a que prácticamente todo el sistema es eléctrico y

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puede durar varios años, el equipo de protección contra sobrecargas estaría conformado principalmente por fusibles que son de fácil reemplazo como en los vehículos actuales. Las partes mecánicas del generador eólico como aspas, cojinetes, eje, caja de engranes, etc. serán los que necesitarán mantenimiento regular para mantener la eficiencia del generador.

Impacto esperado

Al lograr una mayor eficiencia en cuanto a la autonomía del vehiculo, se traduce en una menor quema de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica que llegue a estaciones de recarga de vehículos eléctricos, además de un consumo de cero combustible del vehículo. De esta forma la contaminación por vehículos de motor de combustión interna será mucho menor.

El vehículo tal vez podría llegar a sobrepasar la autonomía de un vehículo de motor de combustión interna, lo cual se traduce en un menor gasto monetario al no comprar gasolina. También significa viajes de mayor duración y sin necesidad de buscar estaciones de recarga de difícil acceso o ubicación.

El vehículo inclusive podría llegar a ser adaptado para que aproveche la energía del viento en sitios con mucho viento aún cuando se encuentre parado. Lo cual significa todavía mayor autonomía y menor gasto monetario.

El mantenimiento se puede ver simplificado en gran medida si se toma en cuenta que la principal necesidad del vehículo (aparte de la energía eléctrica) es aceite para los componentes eléctricos y agua con refrigerante para que no se caliente demasiado el motor, lo cual se puede añadir fácilmente por el usuario.

Después de lograr adaptar en forma exitosa el generador eólico al vehículo se pueden seguir buscando nuevas formas de acoplar más generadores eólicos al mismo y de esta forma generar todavía una mayor cantidad de energía eléctrica, se lograría una completa autonomía del vehículo.

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Programa de actividades (Diagrama de Grantt)

Actividades Inicio Duración (Días) Fin

A 01/07/2013 2 02/07/2013

B 03/07/2013 3 05/07/2013

C 06/07/2013 2 07/07/2013

D 05/07/2013 4 08/07/2013

E 09/07/2013 3 11/07/2013

Actividad 01/07/2013 02/07/2013 03/07/2013 04/07/2013 05/07/2013 06/07/2013 07/07/2013 08/07/2013 09/07/2013 10/07/2013 11/07/2013

A

B

C

D

E

Actividades Titulo

A Diseño de los álabes de la turbina

B Maquinado y ensamblaje de la turbina

C Ensamblaje del generador

D Diseño y armado del sistema eléctrico

E Resultados y mejoras posibles

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Descripción de actividades

A. Diseño de los álabes de la turbina En este punto se deberá de realizar un diseño basado en cálculos matemáticos y dinámica de fluidos para el análisis del comportamiento de los álabes de la turbina, de tal manera que proporcione un ángulo de ataque lo suficientemente eficiente como para producir un mayor empuje a la turbina eólica.

B. Maquinado y ensamblaje de la turbina Una vez finalizado el diseño, se llevara a cabo el proceso de fabricación de la turbina, el cual se podrá realizar en un centro de maquinado. Después se pondrá en marcha el ensamblaje de la misma la cual estará sostenida por soportes horizontales y estará en contacto con una flecha que se encontrará conectada con el rotor de un generador.

C. Ensamblaje del generador Para esta etapa ya se tendrá el eje de la salida de la turbina en posición y, de esta forma, determinar la posición que ocupará el generador, el cual también estará sostenido por un soporte.

D. Diseño y armado del sistema eléctrico Para el sistema eléctrico no será necesario que se hayan terminado las etapas anteriores, de lo único que depende es de algunos datos técnicos del generador. Este sistema contará con un regulador de voltaje que estará entregando un voltaje constante que se podrá manipular manualmente, esto debido a que el comportamiento de la turbina respecto de su velocidad no es constante, por lo que el voltaje que entregue el generador dependerá de la velocidad de la turbina, cuando la velocidad sea baja no habrá voltaje suficiente, pero cuando exista una velocidad extrema, habrá un sobrecalentamiento del acumulador, la intención es entregar un voltaje regulado.

E. Resultados y mejoras posibles. En este último punto se tomarán muestras de los resultados, se estudiarán y de ser posible se efectuará una mejora en la eficiencia del sistema.

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Costos

Generador eólico para vehículos eléctricos presupuesto estimado:

Materiales Estimación

Generador eléctrico de pruebas $10,000

Material para las aspas del generador $5,000

Equipo eléctrico para la instalación del generador eólico

$5,000

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