Embed Size (px)
Citation preview
1
CARACTERIZACIÓN DEL USO DE UN SISTEMA DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA HUMANA EN ENERGÍA
ELÉCTRICA
DAVID MAURICIO CARDEÑOSA VILLA
200819767
Universidad de Los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá D.C.
JUNIO DE 2013
2
CARACTERIZACIÓN DEL USO DE UN SISTEMA DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA HUMANA EN ENERGÍA
ELÉCTRICA
DAVID MAURICIO CARDEÑOSA VILLA
200819767
Trabajo de proyecto de grado en ingeniería mecánica.
Profesor asesor:
Ing. Álvaro E. Pinilla, MSc, Ph. D. Ing. Mec.
Universidad de Los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá D.C.
Junio de 2013
3
AGRADECIMIENTOS.
Quiero agradecer a las personas que me apoyaron durante el desarrollo de este proyecto,
a mi asesor el profesor Álvaro Pinilla, quien me asesoró y guío durante el desarrollo de
este trabajo. Igualmente, a los técnicos de laboratorio Omar Rodríguez, Ramiro Beltrán, y
José Nieto, quienes me brindaron su ayuda y colaboración para realizar este proyecto
satisfactoriamente.
Quiero igualmente agradecer de manera muy especial a mis padres, Mauricio y Ana
Milena, y a mi hermana Laura, por su constante apoyo, paciencia y consejos a lo largo de
este proyecto y de mis años de estudio de pregrado. A mi novia Cindy Valenzuela, quien
me acompañó y apoyo durante este último semestre, y a mis amigos y compañeros que
me acompañaron durante mi permanencia en la Universidad y que hicieron de estos años
una etapa especial en mi vida y mi formación.
4
RESUMEN.
Este proyecto es la continuación del desarrollo de un sistema de conversión de energía
humana (operado con una manivela) en energía eléctrica en el cual se caracteriza el uso
del sistema acoplado a una batería, evaluando además el comportamiento de dos tipos de
baterías.
El sistema conectado a una batería (de plomo-ácido y de ion-litio), es cargado durante 15
minutos a una velocidad de giro constante. Luego del ciclo de carga, la batería permanece
en reposo durante un tiempo de 22 horas para lograr su estabilización, para luego evaluar
la descarga controlada a una tasa de corriente de 1A.
Los resultados de las pruebas de carga muestran una energía entregada por el generador
de 8Wh a la velocidad de carga de 120 rpm y de 5Wh a velocidad de carga de 100 rpm; la
potencia entregada por el generador durante la carga bordea los 30W de potencia. El
comportamiento de la batería de plomo-ácido almacena un poco menos de 5Wh debido a
aumentos en su voltaje, en tanto la de ion litio almacena 7.6Wh.
Los resultados de las pruebas de descarga indicaron que la batería plomo-ácido logra
entregar 3.3Wh al cargarla a 100 rpm y 4.4Wh al cargarla a 120 rpm, con una potencia
entregada durante la descarga de 11W. Entre tanto, la batería de ion-litio obtiene una
energía de 4.9Wh al cargarla a 100 rpm y 7.6Wh al cargarla a 120 rpm, con una potencia
entregada durante la descarga de14W. Las eficiencias de almacenamiento de energía en la
batería plomo-ácido se encuentran entre el 60% y el 70%, mientras que para la batería de
ion-litio se encuentran por encima del 90%.
La batería ion-litio logra operar durante 20 y 32 minutos luego de cargarla a 100 y 120
rpm; en tanto que la batería plomo-ácido logra 18 y 22 minutos respectivamente, por lo
cual su desempeño general es inferior al de la batería de ion-litio.
Se obtuvo una mejora en la resistencia mecánica del sistema de transmisión, superando al
sistema anterior en más de un 20% con respecto a la cantidad del tiempo empleado
durante las pruebas.
Se debe evaluar el tiempo de operación para asegurar la confiabilidad del sistema para su
trabajo en condiciones de alta exigencia.
5
Contenido 1. OBJETIVOS. ................................................................................................................................ 6
1.1. OBJETIVO GENERAL. ............................................................................................................ 6
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ..................................................................................................... 6
2. INTRODUCCIÓN. ......................................................................................................................... 7
3. REVISIÓN BIBGLIOGRÁFICA. ....................................................................................................... 8
3.1. GENERADORES ELÉCTRICOS. ................................................................................................ 8
3.2. BATERÍAS........................................................................................................................... 12
3.2.1. FACTORES DE QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO DE LAS BATERÍAS. ................................. 13
3.2.2. ESTANDARIZACIÓN DE LAS BATERÍAS. ......................................................................... 13
3.2.3. BATERÍA PLOMO-ÁCIDO.............................................................................................. 14
3.2.4. BATERÍA ION-LITIO ...................................................................................................... 16
4. DESARROLLO DEL PROYECTO................................................................................................ 19
4.1. CONTEXTUALIZACIÓN. ....................................................................................................... 19
4.1.2. INSPECCIÓN GENERAL................................................................................................ 20
4.1.3. VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO REPORTADO PREVIAMENTE. ......................... 21
4.2. EXPERIMENTACIÓN. ......................................................................................................... 22
4.2.1. CONSIDERACIONES Y CAMBIOS PREVIOS A LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES. .............. 22
4.2.2. ENERGÍA ENTREGADA AL CARGAR UNA BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO DE 12V/0.8Ah. .... 23
4.2.3. ENERGÍA ENTREGADA AL DESCARGAR UNA BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO DE 12V/0.8Ah.
............................................................................................................................................ 24
4.2.4. ENERGÍA ENTREGADA AL CARGAR UNA BATERÍA DE ION-LITIO DE 14.8V/7Ah. ...... 25
4.2.5. ENERGÍA ENTREGADA AL DESCARGAR UNA BATERÍA DE ION-LITIO DE 14.8V/7Ah. ...... 26
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS. ................................................................................................... 26
5.1. VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO REPORTADO. ....................................................... 26
5.2. ENERGÍA ENTREGADA DURANTE EL CICLO DE CARGA-DESCARGA DE UNA BATERÍA DE
PLOMO-ÁCIDO DE 12V. ............................................................................................................ 28
5.3. ENERGÍA ENTREGADA DURANTE EL CICLO DE CARGA-DESCARGA DE UNA BATERÍA DE ION-
LITIO DE 14.8V. ........................................................................................................................ 32
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ................................................................................... 36
7. BIBLIOGRAFÍA. ......................................................................................................................... 38
8. ANEXOS ................................................................................................................................... 39
6
1. OBJETIVOS.
1.1. OBJETIVO GENERAL.
Mejorar el sistema de conversión de energía construido por el estudiante de
maestría Mario Ramírez.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Caracterizar el comportamiento de los ciclos carga – descarga del sistema acoplado
a una batería, a diferentes velocidades de operación.
Aumentar la resistencia mecánica del sistema de transmisión.
Dar una guía para dimensionar las baterías que deben ser empleadas con el
sistema, de acuerdo con los requerimientos de uso.
7
2. INTRODUCCIÓN.
El desarrollo y aumento en la producción de productos electrónicos portables (por
ejemplo: computadores portátiles, celulares, vehículos eléctricos, equipos del hogar, etc.),
ha hecho que dos temas importantes hayan salido a relucir en los últimos años (Tsang,
Sun, & Chan, 2010). Por una parte el suministro de energía eléctrica para la alimentación
de dichos productos es un tema delicado, pues no sólo gira entorno a encontrar recursos y
elementos que permitan suministrar la energía necesaria para su operación, pero a la vez
busca solucionar el problema generado por la falta de cobertura del sistema de la red
eléctrica en áreas remotas. Por lo tanto, se ha trabajado en el desarrollo de dispositivos
tanto de generación como de almacenamiento de energía, que permitan operar los
productos en momentos en los cuales la red eléctrica presente problemas o donde no se
cuente con accesibilidad a la red de distribución de energía.
La falta de cubrimiento de la red eléctrica, e incluso la baja confiabilidad de la misma para
poder operar la mayoría de dispositivos que se usan diariamente de manera continua, ha
abierto un segmento en el mercado que ha permitido el desarrollo de generadores
eléctricos impulsados por potencia humana (por ejemplo los generadores manuales). El
funcionamiento de dichos generadores se basa en hacer uso de la energía mecánica, en
este caso suministrada por el usuario, para luego entregar energía eléctrica que se puede
usar para cargar una batería. Esta solución reduce la dependencia en los recursos
naturales tradicionales (energía no renovable), otorgando una solución al problema de la
disponibilidad de energía eléctrica. Al ser operados de forma independiente, las baterías
cargadas con esta energía generada pueden alimentar dispositivos que requieran energía
para su funcionamiento. Teniendo en cuenta que gran parte de la población mundial no
tiene acceso a la red eléctrica, el desarrollo de estos generadores tiene un gran mercado
potencial, pues se sabe que más de 1,200 millones de personas en el mundo no tienen
acceso a la red eléctrica, y un gran porcentaje de las personas con acceso a energía cuenta
con un acceso limitado a ella (Mechtenberg, y otros, 2012).
8
Por su parte, hay una gran oportunidad para el desarrollo de las baterías, para el aumento
de la eficiencia, disminución en el tiempo de carga, y aumento en la energía que entrega a
un sistema. El desarrollo de las baterías es esencial para complementar el suministro y
cobertura de la red eléctrica, pues éstas permiten la portabilidad de distintos dispositivos
y reemplazan a la red eléctrica en caso de que ocurran fallas técnicas o de inaccesibilidad
por condiciones requeridas por la operación de los sistemas.
3. REVISIÓN BIBGLIOGRÁFICA.
3.1. GENERADORES ELÉCTRICOS.
Los generadores eléctricos son máquinas que convierten energía mecánica en energía
eléctrica. Su funcionamiento se rige por la ley de Faraday, que establece que el
movimiento relativo de un campo magnético con respecto a un conductor eléctrico
produce una fuerza electromotriz, capaz de inducir un diferencial de potencial. Al conectar
una carga entre los dos puntos de diferencia, se genera una corriente eléctrica que circula
por el circuito (Tafur, 2011).
El desarrollo del generador eléctrico se remonta a 1830, cuando Michael Faraday
descubrió el principio de funcionamiento de este dispositivo. En ese año fue construido el
primer generador, el cual consistía en un disco de cobre que giraba en entre los extremos
de un imán en forma de herradura, con lo cual se generaba una corriente continua. Para el
año de 1836, el francés Hippolyte Pixii, construyó la primera dinamo, en donde empleó un
imán permanente que se giraba con una manivela; y, adicionalmente empleó un colector
de corriente para convertir la corriente alterna en directa. Hacia el año de 1860, el italiano
Antonio Panciotti, modificó la propuesta de Pixii, dando una nueva solución para poder
entregar una corriente directa. Sin embargo, no fue sino hasta el año de 1870 cuando se
observó el primer dinamo con la capacidad de generar cantidades comerciales de energía
para la industria.
9
Existen dos tipos de generadores eléctricos:
1. De imanes permanentes: Generan el campo magnético del rotor mediante imanes
permanentes, y no mediante un embobinado. La ventaja de este tipo de generadores
es que no requieren un circuito de corriente directa para poder activarse, e
igualmente no tienen escobillas. Entre sus desventajas se encuentra el costo de los
imanes, y la dificultad de regular el voltaje de salida (el cual es proporcional a la
velocidad de giro). Existen tres categorías de generadores de imanes permanentes de
acuerdo con la dirección del flujo de corriente: axial, radial, y transversal.
2. De inducción: Generan el campo magnético del rotor haciendo girar el rotor más
rápido que la velocidad sincrónica, lo que hace que la corriente activa producida
recorra el embobinado del estator. La mayor ventaja de estos generadores es que para
ser operados requieren controles relativamente simples. A pesar de que estos
controles son simples, deben ser muy precisos para poder generar de manera eficiente
durante su operación.
Las principales partes de un generador eléctrico son: estator, rotor, carcasa, y sistema de
transmisión. De acuerdo con el tipo y categoría del generador, sus partes se constituyen y
posicionan de cierta manera. De ésta forma, para un generador radial la configuración
típica es:
1. Estator: Es el bloque constituido por las láminas y por el embobinado.
2. Rotor: Es el bloque constituido por los imanes permanentes, y por el eje encargado de
transmitir la potencia.
3. Carcasa: Hace referencia a los elementos que permiten el encapsulamiento del
generador (por ejemplo: tapas, acoples, y rodamientos).
4. Sistema de transmisión: Son los engranajes, los cuales permiten amplificar la velocidad
de operación del generador.
En la Imagen 1 se ilustra la configuración de un generador manual axial, compuesto por las
cuatro partes mencionadas anteriormente, más la manivela con la cual se transmite la
energía mecánica.
10
Imagen 1. Generador de flujo axial (Ji-Young, Dae-Hyun, Seung-Ryu, & Choong-Kyu, 2012).
ESTADO DEL ARTE.
Los generadores de potencia humana surgen como respuesta a la creciente demanda de
electricidad, en especial en áreas remotas o para casos de emergencias cuando falle el
suministro de la red, o cuando no sea posible obtener energía mediante otro mecanismo.
Por lo tanto, se han desarrollado diversas aplicaciones que permiten beneficiarse de este
tipo de generadores durante épocas de crisis, e incluso en el diario vivir, con aplicaciones
para aprovechar la generación de energía como por ejemplo las máquinas de los
gimnasios (Mechtenberg, y otros, 2012). La generación de potencia humana busca
satisfacer requerimientos de cargas “relativamente pequeñas” (menores a 20W), en
lugares remotos o como alternativa de respaldo en casos de emergencia para operación
de algunos sistemas (Mechtenberg, y otros, 2012).
Los generadores manuales han intentado ganar terreno en el mercado, de hecho lograron
hacerlo durante la segunda guerra mundial, cuando se utilizaron para cargar equipos de
telecomunicación. Sin embargo, debido a su baja capacidad para generar potencia su
desarrollo se vio frenado, dándole paso al desarrollo de sistemas de generación más
estables y potentes. Actualmente, los generadores manuales son utilizados en situaciones
de emergencia o en circunstancias extremas. El mayor nicho de mercado se encuentra en
el sector de campamento recreativo (“camping”). Por otra parte, se pueden encontrar
generadores manuales que tienen fines educativos.
Carcasa de transmisión
Caja de transmisión
Manivela
Unidad de conversión de energía
Carcasa del generador
Rotor Estator
11
Existe un generador de potencia humana (ver Imagen 2) diseñado para aplicaciones
educativas, con un bajo requerimiento energético (máximo 65W), y capacidad de cargar
baterías de 12 voltios. Este equipo fue diseñado por la compañía “Windstream power”;
puede cargar a una tasa de corriente de entre 3A y 5A, y puede llegar a generar hasta 35W
de potencia cuando se opera con los brazos. El generador está diseñado para trabajar
tanto con manivela como con pedales, de la última forma puede generar hasta 60W. El
conjunto tiene un costo de aproximadamente $600 USD (Windstream power, 2013).
El generador con el que cuenta es uno de imanes permanentes, cuya eficiencia bordea el
80%. La ventaja es que puede generar potencia a cualquier velocidad angular. Es
importante tener en cuenta que estos generadores no son a prueba de agua, por lo que si
durante su operación hay riesgo de que éstos sufran por salpicaduras, se debe sellar su
carcasa. Otras consideraciones: tiene un peso de 4.6kg, puede rotar en las dos direcciones,
y puede operar a una velocidad de hasta a 5,000 rpm (Windstream power, 2013).
G
Imagen 2. Human power generator (Windstream power, 2013).
Como comparación, se encuentra un cargador de generación manual para alimentar
dispositivos eléctricos, el cual tiene la capacidad de cargar celulares, cámaras digitales,
con un costo de $60 USD, el peso completo del sistema de 0.5kg (diseño de la compañía K-
tor). El dispositivo puede generar 10W, y como ventaja cuenta con una toma de corriente
para cargar directamente diferentes equipos (ver Imagen 3). Este sistema de conversión
Cadena de transmisión
Pedal
Generador
Cable de
alimentación
Brazo de manivela
Guardacadenas
Base
Accesorio
manivela
Piñones
Patas de goma
12
genera energía mediante la rotación de una manivela. Uno de los inconvenientes es que
no cuenta con baterías, por lo que entrega energía de forma variable (K-tor, 2013).
Imagen 3. “K-tor pocket-socket, hand crank generator” (K-tor, 2013).
3.2. BATERÍAS.
Las baterías son elementos que almacenan energía, convirtiendo energía química en
energía eléctrica. La ventaja que ofrecen las baterías es la capacidad de poder
“transportar” la energía. De esta forma la batería es cargada para almacenar energía, y
posteriormente la transmite a un dispositivo eléctrico al conectarlo para así ponerlo en
funcionamiento (Reddy, 2002).
El primer dispositivo con la capacidad de almacenar energía fue construido en 1800 por
Alessandro Volta, y fue la primera batería desarrollada. Se puede hacer una breve
recopilación de la historia del desarrollo de la batería:
1859 Invención de la batería Plomo-ácido.
1880 Desarrollo de una nueva técnica que facilitó la manufactura de la batería de Plomo.
1939 Invención de la batería Níquel-Cadmio (NiCd).
1980 Desarrollo de la batería plomo-ácido (Pb) sin mantenimiento.
1980 Desarrollo comercial de las baterías Níquel-hidruro metálico (NiMH).
1991 Lanzamiento al mercado de las baterías Ion-litio (LiOn).
Los avances continúan hasta el día de hoy, en donde podemos encontrar baterías
recargables, con una mayor densidad energética, mayor densidad de potencia, más alta
eficiencia por ciclo, mayor vida útil y una mejor resistencia a condiciones de operación.
13
3.2.1. FACTORES DE QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO DE LAS BATERÍAS.
Los valores especificados por los fabricantes de baterías se ven sujetos a diferentes
factores que afectan de manera significativa el desempeño de las baterías durante su uso,
a continuación se describen los principales de estos factores:
Corriente de descarga: Al aumentar la corriente de descarga, los efectos de polarización
aumentan, lo que disminuye la vida de servicio de la batería. Por otra parte, si se mantiene
una corriente de descarga menor, la curva de descarga se aproxima a la curva teórica de
voltaje y capacitancia. Para calcular la corriente de descarga que se debe usar para una
batería se debe tener en cuenta el tipo de batería, para así seguir el cálculo
correspondiente (Triton2EQ, 2008). Por ejemplo:
Batería plomo-ácido Batería ion-litio
3.2.2. ESTANDARIZACIÓN DE LAS BATERÍAS.
A partir de 1912 comenzó la estandarización de baterías por parte de diferentes
sociedades profesionales. Se conocen normas específicas de acuerdo al tipo de batería
con el que se cuenta (sistema electroquímico, por ejemplo: Plomo-ácido o Zinc-Carbón), y
a la aplicación que se quiere realizar. De esta forma por ejemplo algunas de las normas
que se tienen para baterías de plomo-ácido son las siguientes:
Publicación Título Sistema electroquímico
IEC 60086-3 Baterías de arranque de Pb Plomo-ácido
IEC60095 Baterías de tracción de Pb Plomo-ácido
IEC 60986 Baterías estacionarias de Pb Plomo-ácido
IEC 61056 Baterías y celdas portables de Pb Plomo-ácido
MIL-B-11188 Baterías de vehículo Plomo-ácido
SAE J537 Baterías de almacenamiento Plomo-ácido
Tabla 1 Normas estandarizadas para las baterías de plomo-ácido (Reddy, 2002).
14
Existen normas que se tienen para baterías de plomo-ácido de acuerdo con su uso. Sin
embargo, hay otras pruebas estandarizadas usadas para evaluar y calificar el desempeño
de las baterías. Dichas pruebas simulan los requerimientos de las aplicaciones de la
batería. Como se mencionó en la Tabla 1, aplican las normas SAE J537, y SAE J240A.
3.2.3. BATERÍA PLOMO-ÁCIDO.
Las baterías plomo-ácido son dispositivos de almacenamiento eléctrico, hacen uso de una
reacción química reversible para almacenar energía, la cual cuenta con placas de plomo y
ácido sulfúrico diluido (Moubayed, Kouta, El-Ali, Demayka, & Outbib, 2008). Sus
principales usos se centran en aplicaciones de almacenamiento de energía, vehículos
eléctricos e híbridos, ignición de vehículos, sistemas telefónicos, y dispositivos de
comunicación. Otras aplicaciones son: sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS),
suministro de energía para equipos de telecomunicaciones, sistemas de alimentación en
automóviles.
El proceso de carga-descarga es completamente reversible en teoría, pues no hay una
acción química que deteriore el sistema. Sin embargo, su energía específica es baja
(Reddy, 2002). Estas baterías consisten en varías celdas conectadas en serie o en paralelo,
esto con el fin de obtener la capacidad y el voltaje deseado.
MODELAMIENTO DE LA BATERÍA PLOMO-ÁCIDO.
Se puede modelar una batería como un circuito compuesto por una fuente de voltaje, una
serie de impedancias y una rama “parásita” (ver Imagen 4).
La rama parásita representa las reacciones irreversibles (cómo la electrólisis del agua), la
corriente que circula por esta rama es parte de la corriente que ingresa a la batería, por lo
que es una pérdida de corriente. Este fenómeno se intensifica durante la sobrecarga, pues
la corriente depende de la temperatura del electrólito y del voltaje en la rama parásita.
(Moubayed et al., 2008). Las reacciones parásitas hacen referencia en gran medida a la
hidrólisis debida al aumento en la diferencia de potencial. El aumentar el estado de carga
y la diferencia de potencial durante la carga aumentan la descomposición del agua. La
15
pérdida de agua genera un aumento en la concentración del electrolito, lo que genera un
aumento en el potencial de la celda. Consecuentemente, se aumentan las reacciones
parásitas y hay una reducción en la utilización del material activo de la batería. Como
resultado se obtiene pérdida de agua que se ve reflejado en un bajo desempeño de la
batería.
La resistencia que se encuentra en la rama principal varía con la profundidad de la carga.
La resistencia aumenta exponencialmente a medida que la batería se agota durante la
descarga. De esta forma se puede apreciar la siguiente relación que existe entre la
resistencia, la corriente y el voltaje:
(Moubayed et al., 2008).
Otros factores que se deben considerar para el modelo son: Estado de carga (la fracción
de la carga restante en la batería), profundidad de carga (la fracción de la carga utilizable
restante en la batería)(Moubayed et al., 2008).
Imagen 4. Modelo para la batería plomo-ácido. (Moubayed, Kouta, El-Ali, Demayka, & Outbib, 2008)
Es importante mencionar que los parámetros del modelo de la batería tienen una
naturaleza dinámica y a la vez son interdependientes. Por esta razón el fenómeno carga-
descarga no tiene un comportamiento lineal.
MÉTODOS PARA CARGAR BATERÍAS PLOMO-ÁCIDO
Los tres métodos más conocidos para realizar la carga de baterías de plomo-ácido son:
1. Corriente constante: La carga se realiza a una tasa de carga lenta, por lo que se
requiere mucho tiempo para cargar la batería (Cheng & Chen, 2002). Éste método
16
tiene una eficiencia baja, no contempla el estado de carga, y durante el último cuarto
del ciclo de carga se pueden generar gases.
2. Voltaje constante: Se mantiene un valor constante de voltaje durante la carga, por lo
que la corriente inicial de carga es alta. Esto genera un aumento en la temperatura,
disminuyendo la vida útil de la batería (Cheng & Chen, 2002). En este ciclo se puede
presentar el fenómeno de “sub-carga”, pues teóricamente requiere de un tiempo
infinito para la carga si el valor del voltaje es muy pequeño; si se hace uso de un
voltaje muy alto se genera calor dentro de la batería (Palanisamy, 1991).
3. Corriente constante/ Voltaje constante: Consiste en dos modos de carga. Durante el
primero se maneja una corriente constante hasta un voltaje determinado. Al alcanzar
el valor del voltaje determinado, éste se mantiene constante y la corriente es
disminuida hasta cargar la batería completamente (Cheng & Chen, 2002). Este método
permite aumentar la vida útil de la batería, disminuir el tiempo de carga y aumentar la
eficiencia.
Es importante considerar que los métodos de carga requieren un tiempo de estabilización
de la batería de al menos cuatro (4) horas (Palanisamy, 1991). El tiempo de estabilización,
es el tiempo que requiere la batería para equilibrar el material activo y para almacenar de
forma homogénea la energía, llegando a un valor de voltaje estable y equilibrado en las
celdas de la batería.
3.2.4. BATERÍA ION-LITIO
Las baterías de ion-litio son dispositivos de almacenamiento eléctrico; éstas están
compuestas por celdas intercaladas, las cuales hacen uso de compuestos de litio como
materiales activos (tanto positivos como negativos).
Debido al gran interés y desarrollo en este tipo de baterías, éstas se han convertido en la
fuente estándar de diversos dispositivos en el mercado, incluyendo aplicaciones en
diversos segmentos, razón por la cual se han desarrollado distintos arreglos de celdas para
poder cubrir todas las necesidades. Algunas de las aplicaciones en las cuales se
encuentran baterías de ion-litio incluyen dispositivos electrónicos de consumo (por
17
ejemplo: celulares, computadores portátiles, asistentes de datos personales, cámaras
digitales) y dispositivos electrónicos militares (por ejemplo: radios, detectores de minas,
visores térmicos).
MODELAMIENTO DE LAS BATERÍAS ION-LITIO
Se puede modelar una batería de ion-litio como un circuito compuesto por una fuente de
voltaje, una resistencia, y una resistencia en paralelo con una impedancia, como se puede
apreciar en la Imagen 5. Dicho circuito equivalente modela el comportamiento dinámico
electroquímico de la batería ion-litio como función de la corriente, temperatura y voltaje
(Tsang, Sun, & Chan, 2010).
Imagen 5. Modelo para la batería ion-litio. (Tsang, Sun, & Chan, 2010).
La resistencia R0 (en la rama principal) hace referencia a la resistencia de corriente directa,
la cual varía con la profundidad de la carga. Finalmente la resistencia R (resistencia de
interfaz) y la capacitancia C (efecto del capacitor) que se encuentran en paralelo, modelan
el comportamiento de difusión y almacenamiento que se lleva a cabo por los iones (Cho, y
otros, 2012).
Otros factores que afectan directamente los parámetros mencionados anteriormente son:
Estado de carga (función directa del voltaje de circuito abierto), profundidad de carga,
temperatura, y corriente (Cho, y otros, 2012). Se puede resaltar que en este modelo, la
resistencia interna R0 aumenta para bajos estados de carga, pues esta depende de la
relación entre el voltaje y la corriente.
18
De manera similar a lo que ocurre con las baterías plomo-ácido, es importante reconocer
la naturaleza dinámica y la interdependencia de los parámetros. Razón por la cual el
fenómeno carga-descarga no tiene un comportamiento lineal.
CARGA Y DESCARGA DE BATERÍAS
Las baterías de ion-litio tienen un rango de operación entre 2.5V y 4.2V. Por lo tanto, se
requieren menos celdas de ion-litio para cumplir los requerimientos de voltaje de una
aplicación específica (Cho, y otros, 2012). De manera similar, a la hora de realizar el
proceso de descarga de las baterías ion-litio se deben considerar:
Durante el proceso de carga, se busca llevar cada celda desde 3V hasta 4.1V o 4.2V, esto
permite una mayor capacidad pero reduce un poco la vida útil y la estabilidad durante el
almacenamiento (Reddy, 2002). Una curva típica de carga de una batería de Li-ion se
puede ver en la Imagen 6 (UNIVERSITY, 2010).
Imagen 6. Comportamiento durante la carga de una batería ion-litio (UNIVERSITY, 2010).
La tasa de corriente a la cual se realiza la carga utilizada para este tipo de baterías se
encuentra entre 0.1C y 1C (donde C es la capacidad de la batería), en donde una mayor
tasa permite un menor tiempo de carga (Tsang, Sun, & Chan, 2010). Durante la primera
parte del ciclo de carga se puede apreciar un aumento en el voltaje dentro de la celda.
Durante la segunda etapa, se mantiene el valor del voltaje al mismo tiempo que la
corriente de carga se reduce a medida que se completa la carga (UNIVERSITY, 2010).
19
4. DESARROLLO DEL PROYECTO.
El desarrollo de este proyecto se encuentra esquematizado en el siguiente diagrama de
flujo.
En éste se observa el proceso y la metodología para llegar a la evaluación de las variables
de interés del proyecto.
4.1. CONTEXTUALIZACIÓN.
El sistema de conversión de energía humana en energía eléctrica con el cual se trabajará
(en adelante llamado generador) consiste en un generador manual radial de imanes
permanentes, el cual se opera mediante una manivela que permite proporcionar la
energía mecánica de carga. El generador pretende ser utilizado durante cortos periodos
de tiempo, máximo 15 minutos, para proporcionar carga suficiente para la operación de
un equipo de comunicación. Los componentes principales del sistema son: un generador
de imanes permanentes (configuración radial), una caja amplificadora de velocidad (2
engranajes rectos), y una manivela para impulsar el sistema (ver Imagen 7).
Los resultados de operación del generador en la primera fase lograron potencias eléctricas
efectivas entre 5W y 21W, operado a velocidades de giro de la manivela entre 45rpm y
115 rpm. Sin embargo, las velocidades de operación recomendadas se encuentran entre
75 rpm y 120 rpm (Sanabria, 2012.). Igualmente, se observó que el sistema pudo realizar
recargas de la batería alimentándola con el sistema de generación, logrando proveer
Inspección general y verificación de funcionamiento.
Diseño experimental.
Pruebas.
Análisis de resultados.
Conclusiones y recomendaciones.
20
0,7Wh en 6 minutos a un ritmo de 75rpm de la manivela. El resultado de la fase anterior
recomendó que el generador operare con baterías de 12V.
Con el fin de asegurar de que el generador estuviera en las condiciones de diseño, y
entregando la potencia registrada, se realizó una evaluación inicial, la cual incluye una
inspección general y una verificación del comportamiento reportado previamente.
Imagen 7. Generador eléctrico.
4.1.2. INSPECCIÓN GENERAL.
Como primer paso se realizó una inspección visual del generador. De dicha inspección se
pudieron resaltar los siguientes puntos:
El conjunto de imanes se encontró completo (sin fisuras o grietas).
Engranajes: Los engranajes de material polimérico (Delrin) mostraron desgaste
asociado al uso, sin embargo, no se observó ningún desgaste excesivo.
Manivela: Esta pieza se encontró en buen estado.
Los ejes del generador mostraron corrosión. Se detalló de forma un poco más
exhaustiva el eje que transmite el movimiento de la manivela al engranaje grande (eje
manivela), cuyo ajuste dentro del rodamiento de la carcasa estaba deteriorado por el
uso. Igualmente se notó una reducción cónica en el eje (ver Imagen 8).
21
Imagen 8. Eje manivela del generador.
Tapas, rodamientos, acoples, base, carcasa, bloque rotor y estator: En buen estado.
4.1.3. VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO REPORTADO PREVIAMENTE.
Para verificar que el generador funcionara de acuerdo con su diseño, se realizó la
medición del comportamiento de la corriente y el voltaje con diferentes resistencias, de
ésta forma se lograría comprobar la potencia eléctrica entregada por el generador.
Equipos y materiales utilizados:
Multímetro Fluke 117 TRUE RMS (x2).
Resistencias de tiza de 10 ohmios y 20W.
Protoboard.
Generador manual.
Metrónomo (Aplicación para celular “ProMetronome”).
Prensa en “C” de 2” marca Stanley.
Procedimiento:
Se siguió el montaje mostrado en la Imagen 9 (conformado por el generador, las
resistencias, un protoboard, y dos multímetros), cuyo esquema de conexión se muestra en
la Imagen 10. Se hizo uso de dos multímetros para registrar los valores promedio de
voltaje y corriente, haciendo uso de la función que mostraba el promedio de las
mediciones en el tiempo de la prueba.
22
Imagen 9. Montaje experimental con resistencias.
Imagen 10. Esquema de conexiones del
montaje con resistencias.
Se realizaron mediciones a distintas velocidades de giro de la manivela: 30, 45, 60, 75, 85,
100 y 120rpm. Para controlar la velocidad de giro se hizo uso del metrónomo. Por otra
parte, las resistencias se variaron de 10 a 110 ohmios (intervalos cada 10 ohmios). Se
repitió 5 veces la medición para cada resistencia a cada velocidad de giro. El tiempo de
prueba fue de 30 segundos, y como resultado se registró el promedio de las mediciones.
4.2. EXPERIMENTACIÓN.
Con el fin de caracterizar el comportamiento del sistema acoplado a una batería, se
procedió a realizar pruebas de carga de una batería (inicialmente con una de plomo-ácido
y posteriormente con una de ion-litio) con el generador, operándolo a diferentes
velocidades y registrando valores tanto de corriente como de voltaje. Igualmente se
realizaron mediciones del voltaje y la corriente durante una descarga controlada de la
batería.
4.2.1. CONSIDERACIONES Y CAMBIOS PREVIOS A LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES.
Para llevar a cabo las pruebas, se realiza la prueba de carga durante 15 minutos,
posteriormente, se deja reposar la batería por un tiempo de 22 horas para lograr que ésta
se estabilice; finalmente, se lleva a cabo la prueba de descarga.
Para las pruebas de carga, se modificó el sistema de transmisión. Se cambiaron los
engranajes por unos en bronce (Ver Tabla 2). Por disponibilidad comercial, el tamaño de
engranaje pequeño cambió con respecto al anterior (diámetro anterior: 0.688 pulgadas,
23
diámetro nuevo: 0.75 pulgadas). Esto disminuye la velocidad de operación del generador,
por lo que al operarla a una determinada velocidad proporcionará menos energía que
antes. Igualmente la distancia entre los centros cambió (nueva distancia entre centros:
48mm). Razón por la cual se requirió la fabricación de una de las tapas del generador.
Número de dientes. Diámetro [in]. Material # de catálogo Código del ítem.
96 3 Bronce Y3296 09436
24 0.75 Bronce Y3224 09416
Tabla 2. Especificación de los engranajes.
Finalmente se modificó el eje de la manivela. Se fabricó un nuevo eje en acero inoxidable
que no tuviera la reducción cónica ilustrada en la sección de inspección (Imagen 8), con el
fin de eliminar el “balanceo” que se produce en el eje al operar el generador, el cual causa
desalineación en los engranajes y por lo tanto, desgaste de los mismos.
4.2.2. ENERGÍA ENTREGADA AL CARGAR UNA BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO DE 12V/0.8Ah.
Equipos y materiales:
Pinza amperimétrica Fluke i30s. Salida 100mV/A
Fuente variable Protek DF 1731SB3A
Tarjeta de adquisición de datos National Instruments NI 9221
Tarjeta de adquisición de datos National Instruments NI 9205
Batería 12V 0,8Ah. Plomo-acido. Techman electronics modelo SB-1208
Computador Dell Optiplex 980.
Generador manual.
Metrónomo (Aplicación para celular “ProMetronome”).
Prensa en “C” de 2” marca Stanley.
Para realizar la medición de la corriente y voltaje entregado a la batería, variando la
velocidad de giro de la manivela, se realizó el siguiente procedimiento:
24
Se siguió el montaje de la Imagen 11, conformado por la fuente variable (que alimenta la
pinza amperimétrica), el generador, la pinza amperimétrica, las tarjetas de adquisición de
datos, la batería de 12V/0.8Ah, y el computador. El esquema de conexión se muestra en la
Imagen 12. Se hizo uso de las tarjetas de adquisición de datos para registrar los datos de
corriente y voltaje en el programa LabView.
Imagen 11. Montaje experimental #1.
Imagen 12. Esquema de conexiones del montaje #1.
Se realizaron mediciones a distintas velocidades de giro de la manivela del generador (100
y 120 rpm). Igualmente para controlar la velocidad de giro se hizo uso del metrónomo.
Para cada velocidad de giro probada se realizó una carga de la batería por un tiempo de 15
minutos, tiempo durante el cual se registraron datos mediante la tarjeta de adquisición de
datos.
4.2.3. ENERGÍA ENTREGADA AL DESCARGAR UNA BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO DE
12V/0.8Ah.
Equipos y materiales:
Pinza amperimétrica Fluke i30s. Salida 100mV/A
Fuente variable Protek DF 1731SB3A
Tarjeta de adquisición de datos National Instruments NI 9221
Tarjeta de adquisición de datos National Instruments NI 9205
Batería 12V 0,8Ah. Plomo-acido. Techman electronics modelo SB-1208
25
Computador Dell Optiplex 980.
Cargador, Descargador, Balanceador AC/DC Triton2 EQ, Electrifly.
Metrónomo (Aplicación para celular “ProMetronome”).
Prensa en “C” 2” marca Stanley.
Para realizar la medición de la corriente y voltaje entregado por la batería de 12V, después
de su carga (durante 15 minutos), se realizó el siguiente procedimiento:
Se siguió el montaje mostrado en Imagen 13 e Imagen 14, conformado por la fuente
variable, el descargador, la pinza amperimétrica, las tarjetas de adquisición de datos, la
batería, y el computador. El esquema de conexión para realizar esta medición es el mismo
que el empleado en el procedimiento anterior.
Imagen 13. Montaje experimental #2.
Imagen 14. Montaje experimental #2.
Al contar con la batería cargada se procedió a conectar la batería al descargador Triton2
EQ. Con este equipo se realizaron distintas descargas de la batería, con una corriente
controlada de 1 Amperio. Se registraron los datos tanto de corriente como de voltaje
obtenidos durante la descarga.
4.2.4. ENERGÍA ENTREGADA AL CARGAR UNA BATERÍA DE ION-LITIO DE 14.8V/7Ah.
Se sigue el mismo procedimiento explicado en la sección 4.2.2., con la única excepción
que la batería de plomo-ácido de 12V y 0.8Ah es remplazada por una batería de ion-litio
de 14.8V y 7Ah (ver Imagen 15).
26
4.2.5. ENERGÍA ENTREGADA AL DESCARGAR UNA BATERÍA DE ION-LITIO DE 14.8V/7Ah.
Se sigue el mismo procedimiento explicado en la sección 4.2.3., con la única excepción de
que la batería de plomo-ácido de 12V y 0.8Ah es remplazada por una batería de ion-litio
de 14.8V y 7Ah (ver Imagen 16).
Imagen 15. Montaje experimental #3.
Imagen 16. Montaje experimental #3.
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
5.1. VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO REPORTADO.
Al realizar las pruebas descritas en la sección 4.1.3., y la posterior comparación con los
resultados obtenidos en los estudios previos se pudo evidenciar que el generador se
estaba comportando de acuerdo con lo esperado. A continuación se muestran los
resultados de corriente y potencia entregados por el generador bajo distintas resistencias.
Resultados obtenidos:
27
Se puede observar que el generador entrega corriente y potencia de forma directamente
proporcional a la velocidad de operación, sin embargo, al operarlo a una mayor velocidad
requiere de un mayor esfuerzo por parte del usuario (para ver con mayor detalle los
resultados obtenidos y los resultados previos ver el anexo 1). El torque requerido para
operar el generador a altas velocidades exige un mecanismo que permita la sujeción de la
base del generador a la superficie de operación (en el caso del experimento se hizo uso de
una prensa en “C” para fijar el generador a una mesa), de lo contrario la operación del
mismo se vuelve más complicada, pues el generador tiende a moverse.
Por otra parte se verificó que para velocidades de operación altas (100 rpm) el generador
puede entregar hasta 25W de potencia, mientras que al operarlo a una velocidad
moderada (75 rpm) se puede obtener una potencia de 12W.
Las pruebas realizadas igualmente muestran que la corriente generada con resistencias
mayores a 20Ω no supera 1A, este valor sólo es excedido para bajas resistencias (menores
a 10Ω). En el caso del generador, cuya resistencia interna es de 4Ω, se espera entonces
que la corriente durante su operación sea mayores a 1.6 A.
Finalmente la potencia proporcionada operando el generador a 100rpm oscila entre 5W y
25W para las diferentes resistencias, lo que nos sugiere que la energía entregada durante
un tiempo de carga de 15 minutos a esta velocidad se encontrará cercana a los 5Wh.
28
5.2. ENERGÍA ENTREGADA DURANTE EL CICLO DE CARGA-DESCARGA DE UNA BATERÍA
DE PLOMO-ÁCIDO DE 12V.
A continuación se muestran las gráficas obtenidas durante las pruebas de carga y descarga
de la batería de plomo-ácido de 12V y 0.8Ah. Es importante resaltar la variación de las
velocidades de operación a las cuales se realizaron las pruebas. De esta forma se
obtuvieron las siguientes velocidades de giro de manivela para las pruebas: rpm y
rpm.
Para la prueba realizada a 100rpm se obtuvieron valores de corriente de máximo 2.4A, los
cuales son frecuentes durante el inicio del ciclo de carga. Se puede apreciar una
disminución en la corriente entregada y un aumento en el voltaje de la batería durante los
últimos 5 minutos de cada ciclo de carga, esto se debe al estado de carga de la batería. El
estado de carga causa un aumento en la resistencia interna de la batería, e igualmente
29
hace que el voltaje dentro de la batería se incremente. De la gráfica de voltaje se puede
observar un voltaje pico de 17.8V.
La potencia entregada durante la carga obedece al comportamiento del voltaje y la
corriente, por lo que se puede observar igualmente una disminución en la potencia
entregada durante la última tercera parte del ciclo de carga. Con respecto a la energía
entregada a la batería se puede ver que la curva cambia la tendencia lineal durante los
últimos 5 minutos del ciclo de carga, este comportamiento se debe al aumento de la
temperatura interna de la batería. El aumento de la temperatura interna se debe a que en
este punto el estado de carga de la batería es cercano al 50% (hasta este punto la tasa de
corriente puede ser considerada constante) llegando a un voltaje tope, a partir de este
momento lo ideal para continuar con la carga es que la tasa de corriente disminuya, sin
embargo al mantener la velocidad de operación constante la tasa de corriente se
mantiene (1.5A, cuando la tasa de corriente máxima es de 0.3C, en este caso 0.24A), lo
que ocasiona aumento de temperatura y de voltaje en la batería. Se puede observar una
pérdida de energía de 0.7Wh en cada ciclo carga-descarga, lo que cuantifica la pérdida
energética durante la operación a 100rpm.
Las pruebas de descarga se realizaron a una tasa de corriente constante de 1A, durante
estas no se observó ningún comportamiento extraño. Se obtuvo una potencia de 11.1W
durante 18 minutos.
30
Al observar las gráficas obtenidas durante las pruebas a 120rpm, se puede observar un
comportamiento muy similar al de las pruebas a 100rpm. Las variaciones que se observan
radican en los valores tanto de la corriente, como del voltaje pico.
Para estas pruebas se obtuvo un voltaje pico de 18.7V y una corriente pico de 3.7A. Por
otra parte, se puede evidenciar un comportamiento más marcado con respecto al
aumento del voltaje durante la carga, que en este caso aumenta significativamente
después de los 5 primeros minutos de carga. Sin embargo, la curva de la energía
almacenada es muy similar a la de la prueba realizada a 100rpm. Finalmente, durante las
pruebas de descarga se obtuvo una potencia de 11.1W durante 22 minutos.
En general, de las gráficas se puede observar el comportamiento particular del voltaje
durante la carga, que aumenta significativamente tras algunos minutos (ver Imagen 17).
De manera simultánea se evidencia como la potencia entregada decrece. La curva de la
energía almacenada cambia su tendencia, dejando de ser lineal en el momento que se
estabiliza el voltaje en su valor más alto (17V), por lo que se puede afirmar que durante
los últimos 5 minutos de carga no se almacena energía en la batería (Imagen 18). Sin
embargo, es importante distinguir que en el comportamiento de la carga a 100rpm el
voltaje aumenta en los últimos 5 minutos de carga, mientras que para la carga a 120rpm
el voltaje aumenta en los últimos 10 minutos, a pesar de esto el cambio de tendencia en la
curva de la energía acumulada para ambos casos se da en los últimos 5 minutos de carga.
31
Se puede entonces concluir que el cambio en la tendencia de la curva obedece al estado
de carga de la batería, que al acercarse al 50% exige una reducción en la tasa de carga.
Finalmente se puede apreciar que al finalizar la última descarga la curva de energía
acumulada no termina en “0”, lo cual sugiere la existencia de irreversibilidades en las
reacciones químicas de la batería (durante las pruebas se perdieron casi 2Wh) que no
permiten entregar la totalidad de la energía que el generador provee.
Imagen 17
Imagen 18
Se procede a obtener los resultados numéricos de las pruebas, los cuales se muestran a
continuación:
32
Después de realizar la descarga a 120 rpm, se obtienen en promedio 4.37Wh, mientras
que al realizar la carga a 100 rpm se obtienen en promedio 3.32Wh. Por otra parte, la
eficiencia del proceso general para la carga realizada a 100 rpm es en promedio de 71.7%,
mientras que para la carga realizada a 120 rpm es en promedio de 58.7%. En donde la
eficiencia del proceso general se entiende como:
La baja eficiencia general en el proceso de carga realizado a 120 rpm se debe al aumento
del voltaje mencionado anteriormente, y a que la batería se ve expuesta a una tasa de
corriente más alta cuando su estado de carga supera el 50%. Por otra parte, las
irreversibilidades dejan pérdidas que bordean el 25%.
Finalmente, se puede observar que la potencia entregada durante la descarga es del
orden de los 11.1W; esta potencia es entregada durante un tiempo de 18 minutos para la
carga realizada a 100 rpm y durante un tiempo de 22 minutos para la carga realizada a 120
rpm.
5.3. ENERGÍA ENTREGADA DURANTE EL CICLO DE CARGA-DESCARGA DE UNA BATERÍA
DE ION-LITIO DE 14.8V.
A continuación se muestran las gráficas obtenidas durante las pruebas de carga y descarga
de la batería de ion-litio de 14.8V y 7Ah. Es importante resaltar la variación de las
Carga Descarga
E. entregada E. entregada
Wh Wh
1 4,42 3,39 77%
2 4,83 3,27 68%
3 4,73 3,29 70%
1 7,04 4,14 59%
2 7,27 4,27 59%
3 7,93 4,57 58%
120
CicloVelocidad [rpm] Ef. Proceso
100
33
velocidades de operación a las cuales se realizaron las pruebas. De esta forma se
obtuvieron las siguientes velocidades de giro de manivela para las pruebas: rpm y
rpm.
Para la prueba realizada a 100rpm se obtuvieron valores de corriente de máximo 2.55A,
los cuales son frecuentes durante todo el ciclo de carga. Contrastando con el caso de la
batería plomo-ácido, no se puede apreciar una disminución en la corriente entregada ni
un aumento en el voltaje de la batería. Esto se debe a que al finalizar la prueba se alcanza
una carga del 5% de la batería. Igualmente, de la gráfica se puede observar un voltaje pico
de 15.5V.
La potencia entregada durante la carga obedece al comportamiento del voltaje y la
corriente, por lo que tampoco se puede observar una disminución en la potencia
34
entregada. Con respecto a la energía entregada a la batería se puede ver que la curva
mantiene su tendencia lineal durante el ciclo de carga. A pesar de que la tasa de corriente
se mantiene constante, no se requiere una disminución en la tasa de corriente, la cual en
este caso fue de 0.36C, y la tasa de corriente máxima es de 1C.
Se puede observar una pérdida de energía de 0.34Wh en cada ciclo carga-descarga, lo que
cuantifica la pérdida energética durante la operación a 100rpm.
Las pruebas de descarga se realizaron a una tasa de corriente constante de 1A, durante
estas no se observó ningún comportamiento extraño. Se obtuvo una potencia de 13.9W
durante 20 minutos.
35
Al observar las gráficas obtenidas durante las pruebas a 120 rpm, se puede observar un
comportamiento muy similar al de las pruebas a 100rpm. Las variaciones que se observan
radican en los valores tanto de la corriente, como del voltaje pico.
Para estas pruebas se obtuvo un voltaje pico de 15.8V, y una corriente pico de 3.8A.
Finalmente, durante las pruebas de descarga se obtuvo una potencia de 13.9W durante 32
minutos.
En general, de las gráficas se puede observar que tanto el voltaje como la corriente
durante la carga mantienen un valor estable, pues no se observan aumentos ni
disminuciones repentinas en sus valores. De igual forma se puede ver que la potencia
entregada se mantiene dentro de un rango a lo largo de las cargas realizadas. Por otra
parte, al observar las curvas de la energía acumulada, se observa que no hay un cambio en
la tendencia de dicha curva, por lo que se puede afirmar que durante todo el tiempo de la
prueba, se está entregando y almacenando energía de forma efectiva en la batería.
Se procede a obtener los resultados numéricos de las pruebas, los cuales se muestran a
continuación:
Después de realizar la carga a 120 rpm se obtienen en promedio 7.6Wh, mientras que al
realizar la carga a 100 rpm se obtienen en promedio 4.94Wh. Por otra parte, la eficiencia
del proceso general para la carga realizada a 100 rpm es en promedio de 93% mientras
que para la carga realizada a 120 rpm es en promedio de 95%. En donde la eficiencia del
Carga Descarga
E. entregada E. entregada
Wh Wh
1 5,04 4,61 91%
2 4,79 4,52 94%
3 4,99 4,58 92%
1 7,76 7,6 98%
2 8,05 7,38 92%
3 8,12 7,83 96%
120
Velocidad [rpm] Ciclo Ef. Proceso
100
36
proceso general se entiende de la misma forma que en el caso anterior. En este caso la
eficiencia a las dos velocidades de operación es mayor al 90%.
Finalmente, se puede observar que la potencia entregada durante la descarga es de
13.9W, esta potencia es entregada durante un tiempo de 20 minutos para la carga
realizada a 100 rpm y de 32 minutos para la carga realizada a 120 rpm.
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
CONCLUSIONES.
El generador entrega una corriente de 2.5A a 100rpm, y 3.8A a 120rpm.
El sistema acoplado (generador y batería plomo-ácido), es capaz de proveer una
potencia de 11.1W por tiempos mayores a 20 minutos, cuando es cargado durante 15
minutos a 120 rpm.
El sistema acoplado (generador y batería ion-litio), es capaz de proveer durante la
descarga, una potencia de 13.9W por tiempos mayores a 30 minutos cuando es
cargado durante 15 minutos a 120 rpm.
El generador acoplado a una batería es capaz de entregar una energía de 4.37Wh (en
el caso de la batería plomo-ácido de 0.8Ah) y de 7.6Wh (en el caso de la batería ion-
litio de 7Ah) al ser cargado a una velocidad de operación de 120 rpm durante 15
minutos.
No resulta conveniente hacer uso de una batería plomo-ácido de 0.8Ah con esta
metodología de carga (velocidad/corriente constante). Esta batería presenta
aumentos significativos en la diferencia de potencial durante su carga con el
generador; dichos aumentos se traducen en corrientes parásitas que generan
aumentos en la temperatura interna, ocasionan la pérdida de energía en forma de
calor.
Al cargar la batería plomo-ácido se evidenció que al continuar la carga con una tasa de
corriente de 2C después de llegar al 50% de la carga la batería, el comportamiento de
la energía acumulada en la batería se ve afectado negativamente. Por lo tanto, el
37
estado de carga debe ser considerado al determinar la velocidad de operación del
generador.
Resulta conveniente hacer uso de la batería ion-litio de 7Ah con el generador debido a
que sus eficiencias son mayores al 90%.
El nuevo sistema de transmisión (engranajes de bronce) fue probado por 285 minutos,
durante los cuales se realizaron las pruebas; en este tiempo, no se observaron fallas en
dicho sistema. Por lo tanto se apreció un aumento en la vida útil con respecto al
anterior sistema de transmisión en un 20% hasta el momento (de los trabajos
anteriores se calculó que este tiempo fue de 230 minutos, tiempo en el cual los
engranajes fallaron).
RECOMENDACIONES.
Hacer uso de baterías de plomo-ácido de una capacidad que se encuentre entre 3.3Ah
(si se quiere cargar a 75 rpm), o de 6.12Ah (si se desea cargar a 120 rpm).
Realizar las pruebas con una batería ion-litio de menor tamaño (2Ah o 3Ah), para
verificar su comportamiento. La reducción del tamaño se sugiere para reducir el peso
del sistema completo (generador + batería) y los costos de la batería.
Diseñar una nueva base del sistema que permita fijar el generador a la superficie de
trabajo, para que así se tenga una fácil operación y mayor estabilidad.
Modificar el material de la tapa del generador en donde se encuentra el rodamiento
del “eje manivela”. El uso del generador causa un desgaste en la cama del rodamiento,
que no permite el ajuste requerido para garantizar el juego entre los engranajes, por
lo que la vida útil de éstos se ve deteriorada.
Determinar la vida útil del nuevo sistema de transmisión.
38
7. BIBLIOGRAFÍA.
K-tor. (Recuperado el 24 de Abril de 2013). Obtenido de K-tor pocket socket.: http://www.k-
tor.com/hand-crank-generator/
Windstream power. (Recuperado el 24 de Abril de 2013). Obtenido de Human power generator:
http://www.windstreampower.com/Human_Power_Generator.php
Cheng, P., & Chen, C. (2002). A high-efficiency fast charger for lead-acid batteries. IECON
Proceedings (Industrial Electronics Conference)., pp. 1410-1415.
Cho, S., Jeong, H., Han, C., Jin, S., Hwan, J., & Oh, J. (2012). State-of-charge estimation for lithium-
ion batteries under various operating conditions using an equivalent circuit model.
Computers and chemical engineering, Vol. 41. pp. 1-9.
Ji-Young, L., Dae-Hyun, K., Seung-Ryu, M., & Choong-Kyu, H. (2012). Design of an Axial Flux
Permanent Magnet Generator for a Portable Hand Crank Generating System. IEEE
Transactions on Magnetics, Vol.48. pp-2977-2980.
Mechtenberg, A., Borchers, K., Wokulira, E., Hormasji, F., Hariharan, A., Vianney, J., & Kizza, M.
(2012). Human power (HP) as a viable electricity portfolio option below 20 W/Capita.
Energy for Sustainable Development, Vol. 6. pp. 125-145.
Moubayed, N., Kouta, J., El-Ali, A., Demayka, H., & Outbib, R. (2008). Parameter identification of
the lead-acid battery model. 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp. 1-6.
Palanisamy, T. (1991). Charging techniques for a universal lead-acid battery charger. Proceedings
of the International Power Sources Symposium., pp. 72-76.
Reddy, L. (2002). Handbook of batteries. Third edition. . New York: McGraw-Hill.
Sanabria, M. (2012.). Mejoramiento y caracterización del generador eléctrico manual realizado por
el estudiante Mario Ramírez. Proyecto especial. Universidad de los Andes, Bogotá,
Colombia.
Tafur, M. (2011). Portable wind charger design for preindustrial production. Bogotá: Universidad
de Los Andes, School of Engineering, Department of Mechanical Engineering.
Triton2EQ. (2008). Reference guide: AC/DC Charger, discharger, cycler, balancer.
Tsang, K., Sun, L., & Chan, W. (2010). Identification and modelling of Lithium ion battery. . Energy
conversion and management, Vol 51. pp 2857-2862.
UNIVERSITY, B. (01 de 01 de 2010). Charging lithium ion. Recuperado el 12 de 11 de 2011, de
http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
39
8. ANEXOS
ANEXO 1. RESULTADOS VERIFICACIÓN DEL COMPORTAMIENTO REPORTADO.
Resultados obtenidos.
40
Resultados anteriores.
ANEXO 2. MONTAJES EXPERIMENTALES.
Montaje para la verificación del funcionamiento del generador.
41
Montaje para la medición durante la carga de la batería plomo-ácido.
Montaje para la medición durante la descarga de la batería plomo-ácido.
42
Montaje para la medición durante la carga de la batería ion-litio.
Montaje para la medición durante la descarga de la batería ion-litio.
