Resumen— Este proyecto consiste en la construcción de un motor Stirling el cual tiene un sistema de acoplamiento dentado al cigüeñal del motor y una faja que va conectada a un generador eléctrico. Esta energía generada es para uso domestico en nuestro caso para cargar un teléfono celular esto gracias a que la anergia antes de ser utilizada pasara por un pequeño regulador de voltaje y corriente para utilizarla. Así como también cuando el sistema de carga de celular no esté en uso se cargara una batería para el almacenamiento de la energía generada por el motor esto es realizado por un sistema de interruptores para cambiar el flujo de energía en los diferentes puertos de carga.

El motor Stirling construido utiliza como fuente de calor externa una llama. Dicho motor consiste en dos pistones montados horizontalmente con un mecanismo de tuberías para la circulación del aire uno de los pistones es calentado lo que provocará así, la diferencia de temperaturas entre el lado caliente y frío y creará variaciones en la presión y volumen del aire dentro de los pistones entre las dos cámaras y estas variaciones hacen que el motor funcione.

I. INTRODUCCION

roducir energía para uso doméstico más limpia es posible con el motor Stirling ya que funciona con una fuente

menos contaminante ya que es un motor de combustión externa podría utilizar cualquier medio generador de calor para funcionar disminuyendo así la emisión de óxidos a la atmósfera por la alta quema de combustibles fósiles esta es una gran diferencia con respecto a otros motores y es que se puede utilizar directamente la energía solar en estos motores.

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Entonces si el motor no produce gases de escape y puede funcionar con fuentes de energía menos contaminantes y tiene una eficiencia alta.

¿Por qué no se utiliza para la producción de energía?

Algunos impedimentos que se pueden destacar es que los motores actuales se producen en masa, y un cambio en la industria para producir otro tipo de motor representa una gran inversión y por lo tanto un elevado precio en la fabricación de nuevos tipos de motores.

Otro impedimento tiene más que ver exclusivamente con los beneficios monetarias ya que al sustituir las fuentes de energía y usar en menor cantidad los combustibles fósiles las empresas y países que los producen y distribuyen, no están dispuestos a cambiar por esta nueva alternativa y también por el hecho de que los avances tecnológicos en materia de energías alternativas, como la solar, aun son insuficientes para utilizarlas ampliamente.

Los beneficios ambientales con este tipo de motor para la producción de energía domestica serían enormes disminuyendo en gran medida las emisiones de contaminantes. Ejemplo: En Argentina, la Universidad Nacional de General Sarmiento, elaboró un dispositivo mecánico Stirling para generar electricidad. (Fig. 1)

Fig. 1 Dispositivo consistente de una parábola solar y un motor Stirling

Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay un gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llevar la red eléctrica “ver [1]”.

Wilber Manasés Martínez Medrano

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de El Salvador, San Salvador, El Salvador

wmartinezmedrano@gmail.com

GENERACION DE ELECTRICIDAD PARA USO DOMESTICO CON UN MOTOR

STIRLING

Así, los retos en lo que se refiere a la energía son lograr un mejor aprovechamiento de las fuentes no contaminantes y al mismo tiempo producir motores más eficientes. El invento de Robert Stirling podría ser la clave y convertirse en lo que él imaginó: el motor del futuro.

II. DESARROLLO

La construcción del motor Stirling para la producción de energía está dividida en varias etapas pero podemos señalar dos puntos de análisis importantes:

1. Zona caliente: Esta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por consiguiente, estará sometido a altas temperaturas.

2. Zona fría: En esta parte se extrae calor del motor. La extracción de calor puede realizarse por convección libre o forzada. En nuestro caso será libre, porque la realizaremos mediante la colocación de un sistema de aletas de aluminio. Esta es una parte muy importante del motor, porque debe ser capaz de evacuar gran parte del calor que recibe el motor.

Fig. 2 Ilustración zona fría y zona caliente

A. Funcionamiento del motor Stirling

El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los cambios volumétricos del fluido de trabajo en nuestro motor seria el aire. Estos cambios volumétricos se deben al desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente y la zona fría en un cilindro cerrado.

Si se tiene aire encerrado en un cilindro y luego se calienta, se observa que la presión dentro del cilindro se incrementa, entonces habrá una expansión del gas en el interior del cilindro hasta cierta posición final del émbolo. Si al mismo cilindro, en su estado de expansión, se enfría rápidamente, la presión disminuye y vuelve al estado inicial. Si el proceso se repite, pero ahora uniendo el émbolo a una volante. El incremento de la presión forzará al émbolo a moverse ocasionando el giro de la volante.

B. Construcción del motor Stirling

Nuestro motor está compuesto por varios componentes entre los cuales podemos destacar la base, cigüeñal, volante,

bielas y el circuito eléctrico. En breve se dará una pequeña descripción de los componentes que conforman el motor.

1. Base: Estructura fabricada en madera donde van todos los demás componentes acoplados los que posteriormente conformaran el motor, este es el único elemento que se mando a fabricar el diseño que se utilizo es el que se muestra en la figura 3.

2. Transmisión de movimiento: Este elemento que es el que dé más precisión de armado requiere donde cometimos muchos errores que se analizaran posteriormente, está conformado por tres componentes principales:

Cigüeñal: Diseñado para transferir el movimiento horizontal de los pistones en movimiento rotacional, este elemento se construyo con hierro y ha sido torneado para darle la forma que se presenta (ver Fig. 3) para trasferir el movimiento lo mejor posible.

Volante de Inercia: Componente que aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. El volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par del motor, este componente es diseñado tomando como base un disco para cortar cemento al cual se le añadieron diferentes pesos en los extremos para aumentar su inercia. (Fig. 3)

Bielas y manivelas: En cada pistón encontraremos este mecanismo encargado de ayudar a transformar el movimiento horizontal

de los pistones en rotativo las dos bielas con un pivote en la base del pistón y otro en el cigüeñal, construidas de hierro garantizan que soportaran la fuerza realizada por los pistones. (Fig. 3)

Fig. 3 Diseño de la base o soporte y el sistema de transmisión del movimiento

3. Pistones: Para estos se utilizan un par de jeringas de vidrio que también desarrollan la función de cilindro los cuales recibieron un tratamiento para disminuirles la resistencia en su interior fueron lijadas y luego pulidas para este fin. El acoplamiento de las bielas esta realizado en el pistón y el sistema de flujo de aire en el otro extremo. (Fig. 4)

4. Sistema de flujo de aire: El fluido viaja a través de una tubería de cobre en la cual está un disipador que está en contacto con el aire frio del entorno lo cual ayuda a eliminar parte del calor del fluido para su ingreso a la zona fría. (Fig. 4)

Fig.4 Sistema pistón-cilindro y sistema de flujo

5. Sistema Eléctrico: Este se acciona por un sistema de rueda dentada que está unida al cigüeñal donde va una faja que acciona el generador, para producir la energía que pasa por un pequeño transformador para luego ser enviada al sistema de distribución donde hay dos switch’s uno acciona el cableado del puerto USB y el otro del de carga de la batería que posee integrada un regulador para cargar y luego entregar de nuevo la carga (UPS) en la Fig. 5 se aprecia un pequeño esquema de nuestro circuito.

Fig. 5 Esquema del sistema eléctrico de nuestro motor

C. Ensamble de todos los componentes del motor

Al describir brevemente los componentes del motor podemos proceder al armado del mismo. Al tener la base que es el elemento principal ya que es donde va todo montado se procede a armar en el cigüeñal el volante de inercia y el extremo de bielas todo en un mismo conjunto que se acoplaron en el extremo derecho de la base (ver Fig. 6), al ajustar estos elementos comienza la colocación de los pistones en la base que se sujetan con un par de abrazaderas luego se procede a acoplar el sistema de bielas con los pistones al cigüeñal. Al comprobar que el sistema pistón, bielas y cigüeñal estén alienados se coloca el disipador de calor en el extremo izquierdo de la base, este se acoplo con silicón especial que es resistente a altas temperaturas, con estos elementos ya acoplados se tiene todo el sistema del motor armado y viene la colocación del sistema eléctrico.

El sistema eléctrico se construyo sobre una base de metal-

madera la colocación se realizo en el extremo izquierdo de la base el motor (ver Fig. 6), al tener el circuito montado se realizo el ajuste de la faja con el cigüeñal del motor ya que tiene que estar alineado para transferir de mejor manera todo el movimiento rotacional del motor al generador eléctrico con este fin se colocaron unas guías de faja así como un tensor para ayudar a mantener la faja en optimas condiciones de funcionamiento.

Fig. 6 Motor y sistema eléctrico acoplados

III. RESULTADOS

Con el ánimo de que ambos sistemas (motor y circuito) estuvieran funcionales fue necesario realizar pruebas a estos. A cada uno se le realizaron individualmente, el primero en comprobar su funcionamiento es el circuito eléctrico con lo que se le realizaron mediciones de energía.

Como primer paso conectamos nuestro generador con una faja a un motor externo realizamos las mediciones a la salida de sus contactos y nos arrojaba lectura de voltaje de 14 voltios los cuales eran conducidos hasta el transformador al llegar a este era necesario reducir el voltaje hasta los 5 voltios para comprobar esto se tomaron lecturas de salida del transformador y las lecturas tomadas eran las necesarias para la finalidad de este proyecto.

Al comprobar que el sistema eléctrico era funcional se procedió a conectar un teléfono celular al puerto USB de carga al percibir el comportamiento del teléfono notamos que se estaba cargando con lo que se pudo determinar que el circuito eléctrico tiene las optimas condiciones de funcionamiento.

Al proseguir con la comprobación del motor y realizar las pruebas de funcionamiento se encontraron varios errores técnicos uno de los principales era el sistema de biela ya que en un primer diseño se construyeron en dos segmentos con pivote en el centro y uno en el cigüeñal lo que provocada una gran pérdida de la fuerza que impulsaba el cigüeñal este error se corrigió rediseñando las bielas y así llegamos al diseño que se utilizo con los pivotes en ambos extremos (Fig. 7b).

Fig. 7 a) diseño inicial, b) diseño final

Otro inconveniente detectado fue el diseño del cigüeñal la carrera de los pistones en un principio era demasiado lo que provocaba que se saliera el pistón del cilindro por lo que se tuvo que diseñar un nuevo cigüeñal la carrera en un principio era de 3.5cm (ver Fig. 8) y se redujo a los 2.5cm con lo que se resolvió en gran medida el inconveniente de la carrera del pistón.

Fig. 8 Diseño original del cigüeñal

Al resolver estos inconvenientes no se pudo arrancar el motor se calentó por 2 minutos una de las jeringas pero no se consiguió hacer girar el motor esto debido a que incluso solucionando lo anterior el sistema aun tenía mucha fricción se busco resolverlo poniendo aceite a todas las piezas de contacto y giro para disminuir la fricción pero aun así no se consiguió hacerlo girar el motor por lo que intentamos calentar mas el aire de la jeringa pero lo que se consiguió fue que el cilindro usado se dilatara lo cual incremento más la fricción por lo que el motor no funciono esto se analizara en las conclusiones para intentar darle respuesta a por qué no funciono el motor.

IV. CONCLUSIONES

El sistema diseñado no cumple con los objetivos propuestos en el Proyecto de Termodinámica, motor Stirling para cargar un teléfono celular, ya que desde el principio se comenzó a tener problemas con el diseño como se mencionaron algunos anteriormente

Se consulto varios documentos acerca de los motores

Stirling y algunas tesis para intentar resolver este problema “ver [3], [4]”.

Por la lectura tomada se procedido a inspeccionar todos los elementos del sistema nuevamente una razón que se puede mencionar por la que no funciona el motor es la de que incluso disminuyendo la altura de 3.5cm a 2.5cm del cigüeñal con respecto al pistón (ver Fig. 8) esta carrera es aun demasiada y al llegar a su punto más alto o bajo(ver Fig. 9) el ángulo α formado por los pistones y el cigüeñal es aún demasiado lo que provoca que se pierda mucha de la fuerza generada por el pistón como se observa en el diagrama de fuerzas en la figura 9 la fuerza Fy es la que se pierde cuando alcanza su punto más alto o bajo por lo que no nos genera la suficiente fuerza Fx para mover el sistema es así como al disminuir el ángulo α podríamos aumentar la fuerza efectiva y

lograr mover el motor y pero esta modificación provocaría que todo el diseño de la base se haga de nuevo y ajustar la colación de las jeringas al nuevo diseño que se haría al cigüeñal.

Fig. 9 Vista lateral del sistema de transmisión del movimiento y las fuerzas que en el actúan

Las fuerzas de fricción de los elementos son muy grandes el método que se utilizo para disminuirlas no es el adecuado ya que al adicionar aceite a las elementos la soluciones no era permanente solo duraba cierto tiempo porque ningún elemento contaba con algún dispositivo de almacenamiento de aceito lo que hace que se cayera y quedaban de nuevo friccionados entonces es de hacerles algún dispositivo de almacenamiento o bien intentar pulir lo mejor posible todas las superficies de contacto y rodamiento.

La utilización del vidrio para la construcción del mecanismo pistón cilindro no fue el adecuado ya que como se sabe al aumentar el calor de la llama en el cilindro la eficiencia del motor aumenta generando una mayor potencia pero en nuestro caso al intentar aumentar el tiempo de la llama en el cilindro por ser un material de vidrio la llama provoco que se dilatara generando el aumento de la fricción que se menciona anteriormente en todo el motor provocando que el movimiento se restringiera por ello sería recomendable elegir un material para los pistones que sea capaz de resistir la dilatación de calor y que a su vez no introduzca fugas o fricción en los pistones es de esencial importancia en el diseño del motor Stirling.

El material de la base debe ser capaz de resistir el esfuerzo de los pistones así como el peso de los demás elementos montados en esta. En este proyecto si bien la base cumplió con su objetivo al manipular mucho tiempo provoco que se aflojara mucho la estructura de matera lo cual nos llevo a desarmarla por completo y reajustar cada elemento adicionando pegamento y unos tornillos de mayor diámetro para mejorar el fajamiento requerido.

Con la solución de los anteriores errores se podría poner en marcha el motor dado que la utilización del motor Stirling es una tecnología aún en desarrollo y que podría ser capaz de suplir las necesidades energéticas en varias circunstancias en

este proyecto la utilización domestica. El motor Stirling posee un gran potencial como una tecnología alternativa y amigable con el ambiente, una característica que es de extrema necesidad y que los motores de combustión interna carecen.

Con el correcto enfoque y la adecuada aplicación y diseño, el motor Stirling puede resultar ser una tecnología altamente eficiente.

V. ESPECIFICACIONES

A continuación se exponen las especificaciones eléctricas del circuito tomadas de la prueba realizada.

Voltaje a la salida del dinamo (generador):14V.

Voltaje a la entrada del transformador: 14V. Corriente a la salida del transformador: 600mA.Voltaje a la salida del transformador: 5.5V

Corriente en la entrada de la batería: 600mA.Voltaje en la entrada de la batería: 5.5V.Corriente a la salida de la batería: variable 500mA a 650 mA. Voltaje a la salida de la batería: 5V.

VI. REFERENCIAS

[1] Solar Powered Stirling. Disponible en internethttps://www.youtube.com/watch?v=EahfGfDdgNY

[2] Infinia Stirling Solar Generator. Disponible en internet https://www.youtube.com/watch?v=VEpq-WCTOrM

[3] Agüero Samora, V. R., “Diseño y Construcción de un motor Stirling para la generación de energía electrica”, Tesis para optar el grado de Ingeniero Mecánico, FIM, UNI, Lima, Perú, 2006. Disponible en internet en http://cybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/756/1/aguero_zv.pdf

[4] Maquinas Térmicas Motoras, pp. 391–465, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España , 2002. Disponible en internet enhttps://fbermejo.files.wordpress.com/2010/02/maquinas-tc3a9rmicas-motoras_jesus_callejc3b3n.pdf

[5] Diseño de Motores Stirling: pérdidas. Disponible en internet enhttps://mstirling.wordpress.com/2009/01/28/diseno-de-motores-stirling-perdidas/

[6] La microcogeneración, Disminución del consumo eléctrico, pp. 1–2, fundación gas natural, 2010. Disponible en internet enhttp://www.fundaciongasnaturalfenosa.org/sitecollectiondocuments/publicaciones/fichas%20pedag%c3%b3gicas/a3%2002_12_2010/ficha_a3_02.12.2010.pdf