Informe DE Proyecto Final CAF II PDF

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Título del proyecto: Mini generador eléctrico eólicoCurso: Calculo Aplicado a la física IIDocente: Yaro Medina, Simeón MoisésIntegrantes: Ángeles Lázaro, Cristhian Eduardo - UCaldas Vicente, Cindy Yomira - U Horna Aguirre, José Martín - U Sánchez Ego-Aguirre, Alain Guillermo UCiclo: 2020 – 2Lima, 20...

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Título del proyecto: Mini generador eléctrico eólico

Curso:

Calculo Aplicado a la física II

Docente:

Yaro Medina, Simeón Moisés

Integrantes:

Ángeles Lázaro, Cristhian Eduardo - U19210261 Caldas Vicente, Cindy Yomira - U19210319 Horna Aguirre, José Martín - U1730258 Sánchez Ego-Aguirre, Alain Guillermo U18217574

Ciclo:

2020 – 2

Lima, 2020

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Resumen del Proyecto: El generador eléctrico se ubicada en una zona de la casa donde haya constante viento, para poner en funcionamiento el proyecto, utilizamos un motor paso a paso de 6 V, el cual está unido del eje a unas paletas que se mueven por la fuerza eólica, siempre direccionadas a favor del viento. El movimiento del eje (del motor) genera en los terminales una corriente eléctrica, rectificamos la corriente mediante diodos y condensadores, y la regulamos con el IC LM7805, para almacenar la energía va conectado a una batería que retendrá la carga por un periodo de tiempo, para cuando no haya viento y se tenga la necesidad de cargar algún dispositivo.

Introducción: La generación de electricidad como una aplicación de la energía eólica resulta como una de las más complejas, esta además de requerir alta tecnología. requiere invertir tiempo y dinero en el diseño, construcción, operación y mantenimiento de los sistemas conversores de energía eólica. Otras características que perjudican la obtención de energía eléctrica son las características de alternabilidad y discontinuidad del viento. El descubrimiento por Faraday y Henry La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables en el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo.

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Faraday fue el primero en precisar en qué condiciones podía ser observado ese fenómeno de campo magnético. A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.

Objetivo: Implementación de un generador de energía eólica puede proveer de suficiente electricidad para cargar un teléfono móvil para que más peruanos y peruanas de las zonas rurales de país puedan acceder a educación y trabajo virtual. Observar e ilustrar de manera experimental la ley de inducción de Faraday, médiate un generador eléctrico casero.

Problemática: Como sabemos, la coyuntura actual ha cambiado muchas de nuestras actividades y muchas de personas se han visto afectado, (confinados) y la nueva normalidad exige un modo de vida virtual, realizando actividades como; Teletrabajo, clases remotas, telemedicina, entre otras. Los peruanos que deban hacer actividades remotas deberán contar con acceso a electricidad y conexión a internet, para seguir cumpliendo con sus deberes desde casa. Sin embargo, esta no es una realidad que acompañe a todas las familias peruanas. Es por ello, que el presente trabajo pretende dar una alternativa de solución para la primera condición: Luz eléctrica con bajo costo de inversión, lo suficiente para cargar la batería de un dispositivo móvil, como: celulares, tabletas,

Marco teórico: 3

En el siguiente proyecto, es importante a resaltar La Ley de Inducción magnética de Faraday, el cual está definida como “la fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que la envuelve”. se expresa matemáticamente la relación entre el cambio en el flujo magnético con la fuerza electromotriz inducida (FEM). Cuando un conductor corta líneas de flujo magnético se induce una corriente eléctrica. El experimento realizado por Lenz consistía en que el polo norte de un imán introducido en una bobina indujo una corriente que a su vez origino otro campo magnético, este segundo campo produce una fuerza que se opone a la fuerza original, si se retira este imán se crea una fuerza que se opone a la retirada del imán. Ley de Faraday En nuestro tema se hace uso La Ley de Inducción magnética de Faraday está definida como “la fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que la envuelve”. se expresa matemáticamente la relación entre el cambio en el flujo magnético con la fuerza electromotriz inducida (FEM). Cuando un conductor corta líneas de flujo magnético se induce una corriente eléctrica. El experimento realizado por Lenz consistía en que el polo norte de un imán introducido en una bobina indujo una corriente que a su vez origino otro campo magnético, este segundo campo produce una fuerza que se opone a la fuerza original, si se retira este imán se crea una fuerza que se opone a la retirada del imán. Heinrich Lenz fue un físico alemán que estudio la ciencia electromagnética y que interpreto mediante observaciones, los estudios de Faraday y fue capaz de realizar un experimento observacional que probara las teorías de Faraday, así fue como creó la Ley de Lenz definida como que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo.

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Ley de Lenz En el caso de una banda que se mueve en un campo magnético, hemos visto que la inducción de corriente requiere un procesamiento mecánico, lo cual es natural, porque la corriente inducida puede funcionar, calentar el conductor y generalmente generar energía. Si aceptamos el principio de conservación de la energía, debe ser proporcionado por el medio que induce la corriente. Esto llevó a Lenz a señalar: “El sentido de la corriente inducida es siempre tal que tiende a oponerse a la causa que la origina”. Por lo tanto, el principio de corriente inducida produce un polo N en el puerto del solenoide cerca del imán es opuesta a la proximidad del polo N del imán (repelerlo). Por otro lado, si intentamos alejarlo, se inducirá a un polo magnético S a atraerlo. Magnetismo Los imanes son sustancias que pueden generar un campo magnético externo y atraer hierro. Los imanes que exhiben permanentemente sus propiedades pueden ser naturales, como la magnetita o imanes artificiales, que se pueden obtener a partir de aleaciones de diferentes metales. En un imán, sus dos extremos o dos polos tienen mayor poder de atracción, estos polos se denominan norte y sur porque tienden a orientarse de acuerdo con los polos geográficos de la tierra. El área del espacio donde se revela el imán se llama campo magnético. Este campo está representado por una línea de fuerza cerrada imaginaria, que se extiende desde el polo norte hacia el sur y se ubica fuera del imán, con la dirección opuesta dentro del imán. Debido al movimiento de los electrones que contienen átomos, hay una pequeña corriente cerrada dentro de la sustancia y cada electrón produce un imán microscópico o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas las direcciones, sus efectos se cancelarán entre sí y el material no es magnético. Por otro lado, si todos los imanes están 5

alineados, actuarán como un solo imán, en este caso decimos que la sustancia ha sido magnetizada Imantar un material es ordenar sus imanes atómicos, y el material se transporta por contacto directo a cierta distancia. El imán tiene dos polos magnéticos diferentes, llamados norte y sur. Si miramos los polos sur de dos imanes, se repelerán entre sí, si miramos el polo sur de un imán y el polo norte del otro imán, se atraerán. La fuerza de atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos. Campo magnético Las varillas magnetizantes o los cables portadores de corriente afectarán a otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente, porque los objetos magnéticos generan "campos magnéticos". El campo magnético suele estar representado por líneas de fuerza. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la fuerza del campo magnético es inversamente proporcional al espacio entre las líneas de fuerza. Las líneas del campo magnético revelan la forma del campo magnético. Las líneas del campo magnético salen de un polo, rodean el imán y luego penetran en el otro polo. Fuera del imán, el campo magnético apunta del polo norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde la línea está cerca; la intensidad del campo en el polo es mayor. Los campos magnéticos afectan los materiales magnéticos y las partículas cargadas en movimiento. En términos generales, cuando una partícula cargada se mueve en un campo magnético, experimentará una fuerza en ángulo recto con la velocidad de la partícula y la dirección del campo magnético. Dado que la fuerza es siempre perpendicular a la velocidad, las partículas se mueven a lo largo de una trayectoria curva. Electromagnetismo 6

El experimento de Oersted: Hans Oersted al preparar su clase de física en la Universidad de Copenhague, y al mover una brújula cerca de un cable que conducía corriente eléctrica notó que la aguja se deflactaba hasta quedar en una posición perpendicular a la dirección del cable. Repitió muchos experimentos para confirmar este fenómeno. La relación entre la electricidad y el magnetismo se descubrió por primera vez, lo que puede considerarse el nacimiento del electromagnetismo. Del experimento de Oersted se deduce que: ·

La carga en movimiento genera un campo magnético en el espacio que la rodea.

·

La corriente que fluye a través del conductor genera un campo magnético a su alrededor, la fuerza del campo magnético depende de la fuerza de la corriente y de la distancia del conductor.

·

Campo magnético creado por un solenoide:  Cuando aumenta la intensidad de la corriente, aumenta el número de vueltas y se introduce la chapa de hierro en el interior de la bobina (electroimán), aumenta el campo magnético generado por el solenoide.

Metodología: a. Investigaciónbibliográfica: Se realizó la investigación bibliográfica de fuentes y materiales, sobre energías renovables y puntualmente de energía eólica. Se accedió a información disponible en la red, en las universidades del país y del exterior, donde existen grupos especializados de investigación en esta área. b. Materiales:

Cantidad

descripción

Monto PEN 7

1 1 1 3 1 1 1 2 10 m 1 1 2 1 2 8 1 4 4 1 2 2m 1 3

Motor paso a paso de 12V batería 12 v - 7 AH Trípode Diodos 1N4148 Circuito integrado LM7805 Circuito integrado LM7812 Barra de ángulos ranurados Condensadores eletrolíticos 470 uf Cable eléctrico Conector hembra USB Cable adaptador USB Resistencias 330 ohm Resistencias 10k ohm Fusible Pernos y tuercas de 1'' por 1/4'' Tubería de PVC de 6 con 50 cm de largo” tornillos de 1”. tornillos de 1” por 1/4". Caja de plástico hermético de 12 x 8 x 5 cm. Diodo LED Estaño Madera de triplay de 30 cm por 20 cm Barras de silicona

Inversión

S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/ S/

40,00 30,00 40,00 1,50 2,00 2,00 15,00 2,20 5,00 0,50 1,50 0,60 0,30 2,00 2,00 8,00 1,00 1,00 10,00 1,00 2,00 5,00 1,50

S/

174.10

c. Herramientas: ·

Multímetro.

·

Cautín.

·

Destornilladores.

·

Taladro.

·

Sierra.

·

Alicates.

·

Protoboard

·

Fuente de alimentación.

·

Llaves de boca.

·

Pistola de silicona.

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Prototipo

d. Procedimiento: Armado de la parte mecánica: ♦

Haciendo uso de la sierra cortamos la barra de ángulos ranurados en: 4 varillas de 25 cm, 8 varillas de 15 cm, con ayuda de la llave de boca y un alicate unimos los pernos y las tuercas en forma de cubo.

♦

Juntamos y unimos fuertemente la cubeta metálica al trípode con tornillos mediante los rodajes de la rueda giratoria.

♦

Posicionamos bien el motor eléctrico en la estructura cúbica con pernos.

♦

Con la sierra cortamos la tubería de PVC en tres partes de manera vertical con uno de los terminales más gruesos y la parte final en punta, posteriormente lo pegamos con pegamento al eje del motor.

♦

Contamos una de sección de 50 cm de la varilla de ángulos ranurados, cortamos un trozo de madera triplay en forma triangular, unimos a uno de los terminales de la barra y el otro lo adherimos al soporte de las aspas.

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Rodajes

Aspa del Generador

Armado de la parte electrónica: ♦

Con ayuda del multímetro hacemos las mediciones necesarias para comprobar que todos los componentes electrónicos estén en buen estado de funcionamiento.

♦

Con ayuda del protoboard hacemos una instalación previa para verificar el funcionamiento correcto del esquema y del circuito.

♦

Seguidamente tras comprobar que todo este correcto, armamos el circuito electrónico con todos los componentes en la tarjeta perforada, según el esquema de diseño incluida la batería.

♦

Soldamos todos los componentes con ayuda del cautín y estaño, esto hará que se mantengan fuertemente sujetados y no haya pérdida de energía.

♦

Con el taladro perforamos la caja, hacemos los agujeros para el switch, para el fusible y para la entrada y salida de los cables, y demás componentes.

♦

Ubicamos bien la tarjeta electrónica dentro de la caja, lo unimos con tornillos y silicona caliente.

♦

Conectamos y le haceos una soldadura a los cables del motor eléctrico a la tarjeta electrónica.

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Diodos

IC LM7805

Condensador

Diodo Led

Resistencia

Conector USB hembra

Circuito Electrónico

Simulador de Generador Hidroeléctrico PhET Simulation (colorado.edu)

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Simulación N°1

Simulación N°2

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Simulación N°3

Simulación N°4

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Simulación en ISIS PROTEUS

Simulación N°5

Simulación N°6

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Simulación N°7

Resumen experimental: En la simulación podemos ver, como una fuerza externa mueve al imán, logrando que el campo magnético induzca una corriente eléctrica en eléctrica en la bobina, así mismo podemos observar en las gráficas: En la gráfica “Simulación N°1” no sucede nada porque al carecer de movimiento no existe corriente eléctrica, por otro lado, en las gráficas “Simulación N°2”, “Simulación N°3” y “Simulación N°4” observamos como el movimiento continuo genera

desplazamiento de electrones, por ello vemos las luces encenderse y apagarse. Este ciclo

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continuo de movimiento genera corriente alterna en los terminales y la frecuencia eléctrica depende de la velocidad con que gire el imán. Por otro lado, observamos en la gráfica “Simulación N°5” un funcionamiento óptimo del sistema, donde en la primera parte se convierte eficazmente la corriente eléctrica en corriente continua mediante un circuito rectificador doblador de voltaje, esto se hizo para aprovechar al máximo la energía, cuando haya poco movimiento en el rotor de motor y entregue baja tensión en sus terminales, en seguida va conectado a un circuito integrado regulados de 12V para regular la tensión y proteger la batería de sobre cargas. La batería entra en funcionamiento cuando no existe entrada de corriente en el circuito como se observa en la gráfica “Simulación N°6” y la batería sigue proporcionando energía por un tiempo más hasta que se descargue, posteriormente el circuito va conectado a un regulador de 5V para entregar una tensión correcta en el terminal USB, para cargar el dispositivo móvil, ya que estos han sido diseñados a 5V. En la gráfica “ Simulación N°7” se puede ver cómo va el proceso de cambio la corriente eléctrica a lo largo del circuito.

Resultados: El siguiente proyecto funciona satisfactoriamente, su implementación contribuye con la escasez de energía del Perú, ya que nos permite llevar energía a los lugares más remotos del país. Su fabricación es muy sencilla con principios básicos de física y electrónica. El proyecto es suficiente para cargar un teléfono celular o un pequeño dispositivo eléctrico de 5V. Claramente este es un prototipo de algo mucho más grande que podría llegar a construirse en escala industrial siguiendo el mismo principio.

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Análisis Un generador eólico, también llamado aerogenerador, es un dispositivo que aprovecha la energía mecánica del viento (es decir, la energía del movimiento) para convertirla en electricidad. Un factor importante que favorecerá a la generación de energía eólica para reducir el problema de los grandes costos económicos que implicará el normal funcionamiento del edificio. El abastecimiento de una parte de la energía eléctrica ya sea para la iluminación interior del edificio y/o casa en lugares más remotos de nuestro país. Tipos de aerogeneradores ·

De eje horizontal: son los más habituales y están coronados por unas aspas similares a las hélices de un avión

·

De eje vertical: mucho menos comunes, su eje no está paralelo al suelo, sino perpendicular a él, de modo que tienen aspas de una forma muy singular.

Partes de un generador eólico Sea de gran tamaño, como los aerogeneradores de los parques eólicos industriales, o pequeño como los de mini eólica que puedes poner en el techo de una casa las partes de un generador eólico son muy similares. Visto desde el exterior, cuenta con tres partes principales: ·

El rotor: Parecido al de un avión y del que vemos sobre todo las palas, que son las hélices movidas por el viento.

·

La góndola: que es todo el recubrimiento del habitáculo del generador eólico que hay tras las palas y encierra los componentes principales que le permiten producir electricidad. 17

·

La torre: Que es el mástil que eleva el generador del suelo y sostiene toda la estructura.

Desde el interior podemos encontrar lo siguiente: ·

El generador: Que es el que convierte la energía mecánica del movimiento en electricidad.

·

El sistema de transmisión: Que conecta el rotor con el generador y, como su nombre indica, transmite esa energía del movimiento de las palas para ser convertida.

·

Sistemas de control y seguridad: Para gestionar la velocidad, potencia, temperatura de manera que todo esté en orden o puedan tomarse medidas cuando algo no funcione bien.

·

El sistema de orientación: Para aprovechar mejor la energía del viento, el generador eólico se puede orientar en la dirección óptima. Los grandes aerogeneradores industriales están dotados de un poderoso motor que gira la góndola. Los aerogeneradores de mini eólica y micro eólica son mucho más pequeños y tienen una aleta trasera para que su pequeña góndola gire con el viento encarando la dirección adecuada. (os generadores eólicos de eje vertical no precisan de sistema de orientación, al tener aspas multidireccionales que pueden aprovechar cualquier dirección del viento).

Función de un generador eólico Las aspas del rotor son movidas por el viento y el mecanismo de transmisión envía esa energía al generador, que produce electricidad. Dentro de la torre hay todo un sistema de cableado que transmite la energía eléctrica hasta la base. Las torres de los grandes aerogeneradores situados están huecas y allí se ubican 18

elementos clave, como armarios eléctricos o un ...