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PK – MA – 15 Energía eléctrica con la bicicleta


Categoría: Pandilla Petit, (preescolar y 1ro. y 2do. año de primaria)
Área de participación: Medio Ambiente

Miembros del equipo:
JUÁREZ TAFOYA CARLOS JAHZEEL

Asesor:

Escuela: Centro Escolar Zamá

Resumen

Dado que la energía eléctrica, en la actualidad, es un elemento de suma importancia para la vida cotidiana del ser humano; en el presente proyecto abordaremos una manera de generarla a partir del pedaleo, movimiento y trabajo aplicado en una bicicleta.

La energía cinética y potencial que se genera al pedalear una bicicleta nos permite obtener energía mecánica, la cual nos permitirá  hacer la inversión del trabajo a energía eléctrica, de manera sostenible y así aprovechar la actividad física, con la finalidad de aminorar los agentes contaminantes al producirla. Siendo responsables al generar nuestra propia energía y emplearla día a día.

 

Presentación oral:

Link YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=ilTdrvTqxhE&t=72s

Pregunta de Investigación

¿Cómo generar energía eléctrica?

Planteamiento del Problema

Como producir energía eléctrica de manera sostenible, sin afectar las fuentes no renovables. Mediante el pedaleo de una bicicleta y la conversión de energías.

Antecedentes

Energía: “Es una magnitud física abstracta, ligada al estado dinámico de un sistema y que permanece invariable con el tiempo en los sistemas aislados.

La energía no es un ente físico real, ni una “sustancia intangible” sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes.” (Osinergmin, 2017, pag.52)

Trabajo: “Trabajo se define como la productividad que la energía puede proporcionar al ser aplicada sobre un cuerpo por unidad de tiempo. Existe trabajo cuando se produce cierto desplazamiento por la energía aplicada. Es la aplicación de una fuerza que provoca un movimiento.

El trabajo es una magnitud física escalar” (Osinergmin, 2017, pag.52)

Energía Potencial: “Es la energía que posee el sistema en virtud de sus posiciones o condiciones.” (Tippens, 2009 ,pag.154)

Energía Mecánica: “En mecánica, se denomina energía mecánica a la suma de las energías cinética y potencial (de los diversos tipos). En la energía potencial puede considerarse también la energía potencial elástica, aunque esto suele aplicarse en el estudio de problemas de ingeniería y no de física. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.” (Osinergmin, 2017, pag.52)

La energía sostenible es un principio en el que el uso humano de la energía “satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades“.

Otra definición de energía sostenible es que se consume a tasas insignificantes en comparación con su suministro y con efectos colaterales manejables, especialmente efectos ambientales. Las estrategias de energía sostenible generalmente tienen dos pilares: métodos más limpios de producción de energía y conservación de energía.

Las Fuentes de energía no renovables son aquellas que se encuentran de forma limitada en el planeta y cuya velocidad de consumo es mayor que la de su regeneración.

Existen varias fuentes de energía no renovables, como son:

  • Los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural)
  • La energía nuclear (fisión y fusión nuclear)

Una bicicleta es un instrumento para hacer ejercicio, en la que creas un movimiento cinético a partir de las piernas, aplicando fuerza hacía los pedales se ejerce un par de torsión en ellos y de esta manera la energía mecánica se transfiere hacía las ruedas, y de esta forma no se pierde la oportunidad de aprovechar la energía mecánica que se ejerce al pedalear, para aprovecharla en energía eléctrica.

Un alternador de automóvil es una máquina eléctrica síncrona, debido que la frecuencia de la corriente eléctrica que produce va de acuerdo a la frecuencia mecánica que es suministrada (revoluciones del pedaleo). La energía convertida (eléctrica) que se produce depende básicamente de las revoluciones suministradas, la cantidad de polos del alternador, la corriente de campo que se le suministra.

Objetivo

Diseñar un dispositivo para bicicletas, aprovechando la energía que se genera en el pedaleo, para cargar pequeños aparatos electrónicos, como teléfonos celulares, reproductores de música, iPods que se puedan cargar a través de un puerto USB. Además de alimentar las luces delantera y trasera de la bicicleta, contribuyendo así al ahorro de energía.

Justificación

Por la necesidad de producir energía, sin afectar las energías no renovables ni el ambiente donde las personas realizan sus actividades cotidianas.

Hipótesis

Si aprovechamos la energía producida por el pedaleo de una bicicleta, siendo esta una energía mecánica, entonces podremos producir energía eléctrica con ayuda de un motor que nos permita la conversión.

Método (materiales y procedimiento)

“Documental – Experimental”

MANUFACTURA DEL PROTOTIPO

 

Como se ha mencionado anteriormente, el sistema GEPP está compuesto por distintos sistemas, todos y cada uno de ellos importantes para trabajar en conjunto y lograr el objetivo principal.

Sin embargo, una parte elemental del sistema GEPP es el generador eléctrico, ya que a partir de él se obtendrá la energía eléctrica necesaria para alimentar completamente el sistema.

En este capítulo se mencionan los pasos que se siguieron para construir el generador eléctrico.

Además se mencionan las partes que lo constituyen y los materiales que se utilizaron en el prototipo funcional.

El prototipo funcional debe ser capaz de cumplir con las especificaciones del sistema GEPP, pero su objetivo principal es generar energía eléctrica mediante energía mecánica obtenida por pedaleo.

A continuación se describen y explican los pasos para la manufactura del generador eléctrico del sistema GEPP:

 

GENERADOR ELÉCTRICO

 

Disco de imanes 

Para realizar el generador eléctrico, lo primero que se construyó fue el disco de imanes. Es necesario que el disco sea de un metal ferromagnético para poder colocar los imanes y cerrar el circuito magnético. Se le pegaron los 12 imanes desde el centro del disco.

Éste se dividió en doce partes iguales y se colocaron los imanes con los polos alternados. Primero un norte y después un sur y así sucesivamente hasta terminar todos los imanes.

En la figura se aprecia cómo se colocaron los imanes y sus polos.  Para instalar el disco en la maza se le realizó un agujero en el centro que permitía pasar el eje de giro de la maza.

Bobinas

Para la construcción de las bobinas se utilizó alambre magneto de cobre calibre AWG-20. Las bobinas se diseñaron con base en las dimensiones de los imanes. Éstos tienen un diámetro de 27 mm, por lo que se decidió que el núcleo de las bobinas fuera de 1 [cm] de ancho por 2 [cm] de largo.

Se realizaron 12 bobinas para colocarlas en el disco de bobinas.

Disco de bobinas

El disco para las bobinas se construyó con perfocel. Este material nos aportó suficiente rigidez para colocar las bobinas, es fácil de cortar y cuenta además con perforaciones que nos ayudaron a realizar las conexiones en serie entre las bobinas. Las bobinas se pegaron con silicón para evitar su desprendimiento o posible desplazamiento, a una distancia de 12 [cm] del centro del círculo al centro de la bobina.

El perfocel se cortó en forma circular con un diámetro de 30 [cm] para que los imanes y las bobinas quedaran de frente al colocar los dos discos sobre el eje de la maza.

Después de pegar las bobinas en el perfocel, éstas se conectaron en serie para sumar la fem inducida del generador. Las bobinas deben colocarse en el disco en la misma dirección en que se enrollaron. Para explicar la conexión de las bobinas se colocarán letras a sus terminales. La terminal que se encuentra en el exterior de la bobina será la terminal A, mientras que la terminal que está en el interior se denominará terminal B.

Se lijaron las puntas de los extremos de las bobinas para quitarles el recubrimiento y se hizo la conexión entre las bobinas, cuidando que hicieran buen contacto entre ellas. Posteriormente se rectificó la continuidad de las doce bobinas mediante un multímetro y en las dos salidas del generador se conectaron dos cables al sistema de acondicionamiento.

Se coloca el rodamiento en medio de los dos discos de imanes para mantener la distancia deseada. Esto permite un mejor movimiento entre los discos. Al terminar, se instala el generador en el eje de la maza y se monta la llanta en la bicicleta.

SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO 

Estos sistemas se probaron uno por uno. Para garantizar el funcionamiento del generador con corriente directa se realizó un circuito que rectificara la señal y regulara el voltaje a 5V, como se muestra en la figura 8.9. Se colocaron dos conexiones de puertos USB hembra para corroborar que cargara aparatos mediante estos puertos.

Para el sistema de acondicionamiento y distribución se armó una tarjeta de pruebas con los diodos, resistencias y capacitores. Se agregaron 2 conexiones USB sólo para comprobar su funcionamiento. Esta tarjeta se conectaba a las terminales del generador. El capacitor se cambió por uno de mayor capacidad debido a que el voltaje se caía en ocasiones al colocar los dos teléfonos celulares. La figura 8.10 muestra la tarjeta del circuito de acondicionamiento de la señal y los cables de conexión al generador.

Galería Método

Resultados

Resultados y discusión.

El generador, dada su configuración, entrega corriente alterna a su salida, por lo que se diseñó un sistema que rectificara y regulara la corriente y el voltaje para obtener como resultado una corriente continua menor a 2 Amperes y 5 voltios.

¿Qué obtuve?

Estas pruebas consistieron en cargar el teléfono celular a una velocidad relativamente constante para saber en cuánto tiempo se cargaba un porcentaje de la carga total del teléfono. Este porcentaje se obtuvo de la información que proporciona el teléfono celular sobre la cantidad de carga de la batería. Se registró el porcentaje con el que se comenzó a cargar el teléfono y el porcentaje después de cargarlo durante determinado tiempo. En la primera prueba, el teléfono celular marcaba 3% de carga; después de 5 minutos marcó un incremento de 11%, registrando 14% de carga.

Galería Resultados

Discusión

Después de la revisión de la información y mi experimentación:

¿Qué aprendí?

Conclusiones

El GEPP cubrió el objetivo planteado en este proyecto que era diseñar un dispositivo para bicicletas que aprovechara la energía que se genera en el pedaleo para cargar pequeños aparatos electrónicos, como teléfonos celulares, reproductores de música (MP3), iPods,  así como alimentar las luces delantera y trasera de la bicicleta. Se obtuvieron resultados muy apegados a los alcances de este proyecto, además de lograr un diseño diferente de los que se encuentran en el mercado, aportando una nueva propuesta para la generación de energía eléctrica de manera sustentable.

La relevancia de este proyecto es que pretende ser práctico y eficiente, evitar el desgaste de las llantas de la bicicleta y contemplar la seguridad de iluminación de los usuarios

Bibliografía

  • Ignacio Martín Bragado . (2003). Física General. España: -.
  • (2017). Manual de Física General.
  • Paul E. Tippens. (2009). Fisica 1 Conceptos y Aplicaciones. Colombia : Mc Graw Hill.

CARMONA ZERECERO ABRAHAM, ORTEGA CALZADA ANDRÉS, SÁNCHEZ VIOLANTE ABRAHAM . (2012). “GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA POR PEDALEO” . 1, 1, 163.



PK – MA – 15 Energía eléctrica con la bicicleta


PK – MA – 15 Energía eléctrica con la bicicleta

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography