TURBINA EÓLICA DE BAJO COSTO

Cristhian Andres Paez Torres

Ingeniería Aeronáutica. Universidad San Buenaventura

neo_96@msn.com

Abstract – The development of this project is focused on the design and simulation of a wind turbine with low cost materials for the use of alternative energies in order to supply energy in different areas that have shortage problems.

KeyWords – wind Turbine, horizontal, alternative energies.

Resumen – El desarrollo de este Proyecto está enfocado al diseño y simulación de una turbina eólica con materiales de bajo costo para el aprovechamiento de las energías alternativas con el fin de ayudar las zonas de desabastecimiento energético en el país.

Palabras Claves – Turbina eólica, aerogenerador, Horizontal, energía renovable.

Introducción

El proyecto Turbina Eólica de Bajo Costo consiste en el desarrollo de un aerogenerador que aproveche los diferentes tipos de energía, transformándola y almacenándola para el consumo diario en los hogares Colombianos. El tipo de turbina que se planteaba era Vertical para un mayor aprovechamiento energético, pero en el desarrollo y simulación se determino que era mejor el desarrollo de una turbina horizontal por factores de seguridad y aprovechamiento energético.

Fase Análisis y Requerimientos

Para la fase de análisis y requerimientos se tuvieron en cuenta diferentes estudios como:

· Investigativa: Visitas a Codensa, en donde se analizo el consumo promedio por cada Casa en Colombia, consulta de los estudios de vientos en Colombia.

· Análisis de requerimientos: por parte de usuarios: Información sobre los vientos y el consumo para determinar los requerimientos funcionales y condiciones de la turbina, como lo son: Tamaño de las aspas, tamaño del eje, soportes.

· Ensayos mecánicos: Se diseñó el eje de la turbina, aplicándole diferentes materiales y se evaluo el factor de seguridad, la deformación y esfuerzo.

· Evaluación de las alternativas: evaluación de diferentes turbinas eólicas vertical u horizontal. Evaluación de los soportes, piezas y materiales.

Cronograma de Trabajo

Teniendo en cuenta los análisis anteriores se estipuló el siguiente cronograma de trabajo teniendo en cuenta todas las fases del proyecto.

Fases de Ingeniería

Diseño CAD Turbina Vertical

Se realizo el diseño de una turbina eólica vertical en SolidWorks, planteando unos alabes, ejes y soportes de acuerdo a su forma y presión que iba a soportar por el movimiento.

Análisis Estructural Turbina Vertical

Se realizaron una serie de análisis de la turbina eólica vertical en donde se identificaron puntos de quiebre, factores de riesgo y un bajo rendimiento que llevaron a plantear un nuevo diseño de turbina eólica.

Diseño CAD Turbina Horizontal

Se realizo el diseño de una turbina eólica Horizontal en SolidWorks, planteando un nuevo diseño de alabes, ejes y soportes de acuerdo a los factores de riesgo obtenidos en las simulaciones.

Análisis Estructural

Se realizaron una serie de simulaciones (deformación total, Factor de Seguridad, Esfuerzo de Von Misses) al eje de la turbina aplicando diferentes materiales, para evaluar su comportamiento y así poder determinar los materiales en los cuales se va a realizar el prototipo.

Conclusiones

- El diseño parcial que se tiene necesita unas pruebas de deformación teniendo en cuenta los materiales para evaluar las cargas reales que tendrán las aspas en su funcionamiento.

- El diseño se migrara a Catia en donde se harán unos ajustes y las siguientes pruebas se realizaran en Simulia.

APIARIO TECNIFICADO

Yimer Ovalle¹, Oscar Torres²

^{Ingeniería Mecánica .Universidad América}

^{1yimer.yoyoba@gmail.com}

²oskaort15@hotmail.com

Abstract— The development of this project aims to design a simulation prototype semiautomatic an apiary for the extraction and uncapping containers boxes of honey Langstroth type.

Keywords - apiary, honey operculum, decapped

Resumen—El desarrollo de éste proyecto está enfocado al diseño y simulación de un prototipo semiautomático de un apiario para la extracción y desoperculación de los cuadros contenedores de miel del tipo Langstroth.

Palabras Clave— apiario, opérculo con miel, desoperculadora.

I. Introduction

El proyecto apiario tecnificado consiste en una maquina que involucra procesos de desoperculado y extracción de miel en un proceso continuo semiautomático; implicando que el cuadro a trabajar en la máquina sea un cuadro Langstroth. El tipo de desoperculadora en este proceso para que sea continuo va ser la de tipo vertical con rodillos-cuchillas, la cual contiene una batea con un tornillo sin-fin que transporta el opérculo; Ésta desoperculadora está compuesta por unas guías que llevan el cuadro al siguiente proceso que es la extracción de miel, para que siga siendo continuo. Fue necesario que la extractora sea de eje horizontal con carga de cuadros radiales por pilas de 15 cuadros.

II. FASE DE ANÁLISIS Y REQUERIMIENTOS

Para la fase de análisis y requerimientos se tuvieron en cuenta diferentes estudios como:

· Visitas a apiarios en Colombia: en donde se analizó el proceso de manera manual para tener pautas de mejoramiento del modelo semiautomático.

· Análisis de requerimientos por parte de usuarios de apiarios convencionales: Información sobre los requerimientos funcionales y condiciones de trabajo para la maquina, como lo son: pesaje de los cuadros, prueba para establecer la fuerza que se realiza para el corte de la cera.

· Ensayos mecánicos: Se diseñó una probeta en acero inoxidable ANSI 304, en la cual se halló la fuerza necesaria para poder cortar el opérculo del cuadro.

· Evaluación de las alternativas: evaluación de diferentes procesos para desoperculación y extracción de la miel como lo pueden ser la extracción vertical u horizontal en el caso de la desoperculación están los procesos de rodillos – cuchilla, rodillos – cerdas, y cuchillas calefactadas.

· Tipo de cuadro a utilizar: análisis de cuadro tipo Langstron como stardart actualmente en todos los procesos.

III. Cronograma de trabajo

Teniendo en cuenta los análisis anteriores se estipuló el siguiente cronograma de trabajo teniendo en cuenta todas las fases del proyecto.

IV. FASE DE INGENIERÍA

A. Diseño CAD

Se realizaron bajo un diseño tipo rodillo-cuchilla con su respectiva batea, cadena de transporte de los cuadros, guías y estractora Heading.

Todos los primeros diseños se han realizado en Solid Works, teniendo en cuenta los bocetos realizados en la primera parte del proyecto.

CONCLUSIONES

- El diseño parcial que se tiene necesita unas pruebas de deformación teniendo en cuenta las cargas reales que tendrá la máquina en su funcionamiento.

- El diseño final se realizará en Catia puesto que toda la parte básica se realizó en SolidWorks, lo que se pretende en Catia es analizar de manera ingenieril todas las fases del proyecto.

Metodología que se encarga de integrar todos los procesos de elaboración de un  producto durante todo su ciclo de vida, desde la bocetación hasta su, reutilización o reciclaje. Que permite por medio de soluciones integradas de software, la concepción del producto con soluciones CAD (Diseño Asistido por Computador), el análisis y la optimización del producto con soluciones CAE (Ingeniera Asistida Por Computador ), el  estudio de producción y mantenimiento del producto con soluciones DMF (Fabricación Digital) y la captura, reutilización y transferencia de sus datos con cada uno de los actores del ciclo productivo de toda la información generada en cada una de las etapas antes mencionadas con soluciones PDM (Datos Del Producto).

VENTAJAS  PLM

Compartir la información en etapas tempranas del diseño significa que los problemas se pueden identificar y corregir mucho más rápidamente, y a un costo mucho menor.

 ·      Estas soluciones incluyen procesos de ingeniería que ayudan a acortar las etapas de desarrollo y elaboración de prototipos

 ·      Comparten las especificaciones geométricas y la información del producto con otras aplicaciones, para ayudar a las pruebas, las simulaciones, la fabricación, las ventas y la mercadotecnia

 ·      Garantizan que se llevarán a cabo correctamente ciertas actividades relacionadas con el producto y los materiales, como definición de especificaciones, manejo, desecho, cumplimiento normativo, desempeño, control de la seguridad y gestión de riesgos

 ·      Las soluciones PLM ayudan a definir las especificaciones de calidad y a determinar cuándo y con qué frecuencia se hará el muestreo del producto

·      PLM no sólo permite controlar mejor la calidad de los productos, sino que sirve para asegurarse de que la información de los mismos se utiliza de forma tal que acelera el proceso de comercialización del producto que quiere desarrollar como solución a la necesidad o problema del cliente, proceso que se lleva a cabo actualmente con el apoyo de tableros electrónicos que facilitan la labor del diseñador para determinar texturas, color, que le permiten sobreponerlo sobre contextos que le dan una idea al cliente a qué grupo objetivo está dirigido. Y que facilitan el diseño virtual 3D del prototipo.

Los diseñadores utilizan el desarrollo de bosquejos para comunicar en términos generales la estética y funcionalidad  del producto o proyecto.

CONSTRUCCION DEL PROTOTIPO VIRTUAL

Plasmar las ideas que el diseñador tiene en mente en un entorno tridimensional computarizado es posible con el uso de Software CAD, el cual debe permitir que el usuario se pueda concentrar más en el diseño mismo que en el uso de la herramienta, lo cual repercutirá en ahorro de tiempo para él.

 ANÁLISIS DEL PROTOTIPO VIRTUAL, ERGONOMÍA, RESISTENCIA, Y FUNCIONALIDAD

 Durante y después de la etapa de diseño CAD es sumamente importante calcular las capacidades del producto, tales como resistencia del material, ergonomía, funcionalidad, rangos de movimiento, velocidades y aceleraciones de los elementos dinámicos.

DISEÑO VIRTUAL Y VALIDACION DE HERAMIENTAS.

Una vez aprobado el diseño del producto con las herramientas de validación, es indispensable contar con un software que integre a esto soluciones de utillaje, tales como la construcción virtual de moldes y troqueles para llevar a cabo exitosamente el desarrollo del producto. Por esta razón es importante que el sistema CAD posea asistentes de diseño específicos en diseño de moldes y troqueles, basado en la aplicación de las normas internacionales que rigen la elaboración de estas.

CONTROL COMPUTARIZADO DEL PROCESO DE MANUFACTURA 

Puesto que todo lo anterior ha sido diseñado y validado de forma virtual, es aquí en esta etapa donde la manufactura (CNC) convierte en realidad el diseño; para ello existe tecnología llamada CAM (Manufactura Asistida por Computador) que permite simular y validar los procesos de desprendimiento de material y movimiento de la máquina-herramienta.

Actualmente el SENA TecnoParque Colombia cuenta con  software especializados para el desarrollo de prototipos tecnológicos  3D como lo son SolidWorks y CATIA que nos permiten aplicar esta metodología que nos brindan la oportunidad de generar  prototipos físicos  de mayor calidad, es por esta razón que nuestros talentos se ven privilegiados por que cuentan con tecnologías avanzadas que les permitirán ahorrar tiempo y dinero y generar productos más acordes a las necesidades actuales de nuestro país.

Proceso utilizado para la producción de objetos en plástico, cerámica y metal que parte de principios básicos en tecnología aditiva que consiste en la impresión o adición del material  capa por capa de abajo hacia arriba si moldes o matrices  de un prototipo, , modelado digitalmente  con anterioridad en software tales como Autocad, SolidWorks, SolidEdge, Rhinoceros, 3DStudioMax, Catia, entre otros, programas en los cuales se realiza la validación del modelo y las diferentes simulaciones que nos van a permitir producir un prototipo final de mayor calidad.

El inicio de esta tecnología se vio enmarcada en el año 1987 cuando una empresa estadounidense llamada 3DS SYSTEMS lanza un proceso nuevo de fabricación de piezas como fue la estereolitografia que permitía la construcción de objetos tridimensionales sin la utilización de moldes o matrices y se basaba en la entrada de datos de archivos digitales que representaban la forma que se imprimiría y cuya extensión se conoció como .STL,extensión que en la actualidad se usa para convertir archivos 3DS a .STL para ser impresos en maquinas de prototípico rápido.

Existen diferentes tipos de impresión según la tecnología de la impresora, encontramos la impresora 3D que inyecta el polímero cuyo proceso consiste en calentamiento del polímero, materia prima que se va aplicando por medio de una boquilla que funciona como un pincel que va aplicando el material sobre una plataforma plástica capa por capa de abajo hacia arriba según las formas que el computador ha procesado. Esta materia prima viene dividida en dos clases, la base y el soporte, la base es todo el material que va a cubrir las cavidades de los modelos y el soporte es todo lo que va a conformar el modelo, estos a su vez viene al interior de cartuchos que se comercializan como insumos de la máquina para prototipado.

En la actualidad TecnoParque Colombia cuenta con laboratorios de prototipado rápido que tiene como objetivo proporcionar herramientas de ayuda para reducir el ciclo de desarrollo de los productos mediante la fabricación de prototipos simulados y validados que van a ser lanzados al mercado o a producción en serie a gran escala.

El primer desarrollo en el área del control numérico lo realizó el inventor norteamericano John T. Parsons (Detroit 1913-2007), junto con su empleado Frank L. Stulen, en la década de 1940, el concepto de control numérico implicaba el uso de datos en un sistema de referencia para definir las superficies de contorno de las hélices de un helicóptero, en esta época las computadoras estaban en sus inicios y eran tan grandes que el espacio ocupado por la computadora era mayor que el de la máquina; hoy día las computadoras son cada vez más pequeñas y económicas, con lo que el uso del CNC se ha extendido a todo tipo de maquinaria: tornos, rectificadoras, fresadoras, máquinas de coser, etc.

Principio de funcionamiento

En una máquina CNC, a diferencia de una máquina convencional o manual, una computadora controla la posición y velocidad de los motores que accionan los ejes de la máquina. Gracias a esto, puede hacer movimientos que no se pueden lograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras complejas tridimensionales.

Una vez programada la máquina, ésta ejecuta todas las operaciones por sí sola, sin necesidad de que el operador esté manejándola, para mecanizar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificarán el movimiento de la herramienta de corte el sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático ejecutado por un ordenador. El principio de operación común de todas las aplicaciones del control numérico es el control de la posición relativa de una herramienta o elemento de procesado con respecto al objeto a procesar.

En el caso de un torno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos laterales del carro y el eje de las Z para los desplazamientos transversales de la torre.

El TORNO CNC se caracteriza por ser una máquina herramienta muy eficaz para mecanizar piezas de revolución. Ofrece una gran capacidad de producción y precisión en el mecanizado por su estructura funcional y porque la trayectoria de la herramienta de torneado es controlada a través del ordenador que lleva incorporado, el cual procesa las órdenes de ejecución contenidas en un software que previamente ha confeccionado un programador conocedor de la tecnología de mecanizado en torno. Es una máquina ideal para el trabajo en serie y mecanizado de piezas complejas. En la actualidad TecnoParque Colombia Cazuca cuenta con un TORNO CNC herramienta a disposición de nuestros talentos para el desarrollo de sus prototipos.

Funcionamiento

En su funcionamiento los tornos CNC tienen tres ejes de referencia, llamados X,Z,Y:

• El eje Z es el que corresponde al desplazamiento longitudinal de la herramienta en las operaciones de cilindrado.
• El eje X es el que realiza el movimiento transversal de la herramienta y corresponde a las operaciones de refrentado, siendo perpendicular al eje principal de la máquina.
• Estos son los dos ejes principales, pero con los CNC de última tecnología comienza a tener mucha más importancia el EJE Y: eje que comanda la altura de las herramientas del CNC.

Estos ejes tienen incorporada la función de interpolación, es decir que puedan desplazarse de forma simultánea, pudiendo conseguir mecanizados cónicos y esféricos de acuerdo a la geometría que tengan las piezas.