Diseño e implementación de una mochila de carga suspendida, para generación de energía

eléctrica, aprovechando las oscilaciones mecánicas generadas al caminar

Bryan Gordillo#1, Jorge Luis Jaramillo#2

#1Profesional en formación, Universidad Técnica Particular de Loja. #2Docente de la SEE del DCCE, Universidad Técnica Particular de Loja.

Loja, Ecuador

bagordillo@utpl.edu.ec#1, jorgeluis@utpl.edu.ec#2

Resumen—Se describe el diseño e implementación experimental de una mochila de carga suspendida, que genera energía eléctrica al aprovechar la energía mecánica generada al caminar.

Palabras clave — harvesting de energia, mochila de carga suspendida.

I. INTRODUCCIÓN

La Sección de Energía y Electrónica SEE, forma

parte del Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica DCCE de la UTPL. Dentro de las líneas de acción de la SEE, se menciona la investigación en el aprovechamiento de energías renovables no convencionales ERNC.

Considerando que, en la I+D+I en el

aprovechamiento de ERNC, un rol muy importante juegan las interacciones intra e intergeneracionales, desde la SEE se ha implementado una serie de iniciativas para involucrar a diferentes actores académicos. Ese es el caso de los estudiantes de la Titulación de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones, que matriculados en el Practicum I, postulan para formar parte del grupo de investigación preliminar en el aprovechamiento de ERNC.

En el semestre septiembre 2013, el grupo de

investigación preliminar centró sus esfuerzos en el aprovechamiento de energía humana. Como parte de las propuestas presentadas para el estudio detallado, se presentó la generación de energía eléctrica a partir de carga suspendida. En este trabajo, se describen los resultados obtenidos en el diseño e implementación de un prototipo propio.

II. LÍNEA BASE DE LA PROPUESTA

A. Descripción general de la propuesta

En la bibliografía [1], se describe una mochila

conformada por un marco rígido, atado a la espalda del usuario, y, una placa de carga, suspendida del marco a través de resortes. A medida que la persona camina, la placa se desliza hacia arriba y hacia abajo del marco. Este movimiento activa una placa dentada, que acciona un generador eléctrico.

La Fig.1 muestra un esquema constructivo de la

mochila de carga suspendida, entre cuyos elementos constitutivos se refiere un generador acoplado a un sistema piñón-cremallera, resortes (spring), un transductor lineal (linear transducer); una célula de carga (load cell), un mecanismo de bloqueo (locking mechanism), varillas verticales (vertical rod), cojinetes (bushing), correas para brazos (arm strap), y, correas para cintura (waist strap).

Fig. 1 Esquema constructivo de la mochila de carga

suspendida [2]. a) elementos constitutivos. b) carga conectada a la placa de carga

B. Harvesting de energía en la mochila de carga suspendida

La locomoción humana genera oscilaciones

similares a las de un péndulo invertido [2] (ver Fig.2). En cada paso, al saltar sobre la pierna extendida, la cadera se mueve de arriba abajo, entre 4 y 7 cm. Dado que, por su diseño, la mochila se conecta directamente a la cadera, esta también oscila verticalmente. La oscilación vertical de la mochila impulsa una cremallera, que a través de un piñón, activa un generador eléctrico.

Fig. 2 Formación de las oscilaciones verticales de la mochila de carga suspendida, como resultado de la

locomoción humana [2]

La cantidad de energía generada, depende del peso

de la mochila, y, de la velocidad del pedestre. Las investigaciones preliminares mostraron que, para pesos entre 18 y 36 Kg, un usuario promedio podría generar hasta 7.4 W. Este aporte resulta significativo, si se considera que típicamente, los teléfonos móviles, e incluso los dispositivos de visión nocturna, requieren menos de 1 W para funcionar [3].

Otro aporte importante en el diseño de la mochila de

carga suspendida, es la disminución, entre el 82 y 86%, de fuerzas dinámicas aplicadas al cuerpo humano, reduciendo la tasa metabólica de transporte de la carga [4].

III. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO

EXPERIMENTAL

Para el diseño e implementación de un prototipo

experimental de una mochila de carga suspendida, se adoptó una metodología de aproximación por etapas, tal como lo muestra la Fig.3.

Fig. 3. Etapas de la metodología de diseño e implementación del prototipo experimental. [Autores]

A. Diseño e implementación del soporte base

Para preparar los esquemas mecánicos del soporte base de la mochila, se utilizó CadStd lite v3.73, CAD de distribución gratuita [5]. La Fig.4 muestra el esquema constructivo propuesto para el marco rígido. La geometría del marco rígido se propuso considerando que el potencial pedestre, corresponde al biotipo de entre 1.50 m y 1.60 m de altura.

Fig. 4. Esquema constructivo del marco rígido, realizado en

CadStd lite v3.73 [Autores]

Definido el esquema constructivo del marco rígido, se decidió utilizar una metodología de tres pasos para su implementación, tal como lo muestra la Fig.5.

Fig. 5. Metodología de implementación del marco rígido y

anexos [Autores]

Los segmentos que conforman el marco rígido se cortaron de una platina y tubo galvanizados. Los segmentos se soldaron entre sí utilizando suelda eléctrica. Terminada la construcción del marco, se soldó las guías de las barras móviles, y, se perforó los orificios para asegurar los resortes y el generador.

La Fig.6 muestra el esquema constructivo propuesto

para las barras móviles. El sistema de barras móviles se

construyó en base a 2 tubos de aluminio, unidos entre sí por una barra cuadrada

Fig. 6. Esquema constructivo de las barras móviles, realizado

en CadStd lite v3.73 [Autores]

El marco rígido y el sistema de barras móviles se unen a través de resortes. La rigidez del resorte a utilizar, se eligió por prueba y falla, puesto que una alta rigidez no permite un movimiento eficiente de las barras, y, una baja rigidez no aporta con la recuperación requerida en el sistema. Los resortes seleccionados, se colocaron en el prototipo, tal como los muestra la Fig.7.

Fig. 7. Marco estático acoplado con las barras móviles, a

través de resortes. [Autores]

B. Diseño e implementación del nodo de generación

La Fig.8 muestra la metodología adoptada para

diseñar e implementar el nodo de generación en el prototipo.

Fig. 8 Esquema de diseño e implementación del nodo de

generación en el prototipo experimental [Autores]

En un primer paso, se diseña e implementa el acoplamiento de cremallera. La cremallera se construyó en platina, de acuerdo a las especificaciones mostradas en la Fig.9, y, se fijó al sistema de barras móviles, tal como se muestra en la Fig. 10. Para implementar el segmento dentado de la cremallera, se utilizó una banda dentada de una máquina de coser, que fijó a la platina, utilizando adhesivo plástico.

Fig. 9. Esquema constructivo de la cremallera, realizado en

CadStd lite v3.73 [Autores]

Durante el movimiento del pedestre, la parte dentada de la cremallera activa una rueda dentada, montada sobre el eje de un generador eléctrico. En este proyecto, aprovechando la reversibilidad de operación de las máquinas eléctricas, se decidió emplear como generador, un motor tipo NMB-MAT PM35S-048, cuyas principales características técnicas se muestran en la Tabla I. El acoplamiento final del motor al nodo de generación, se muestra en la Fig.10. Las pruebas preliminares, mostraron que se podía obtener diferencias de potencial de hasta 4V en los extremos del generador.

Tabla I. Principales características técnicas del motor NMB-

MAT PM35S-048 [6], [7] Motor Size PM35S-048 Number of Steps per Rotation 48(7.5 /Step) Drive Method 2-2 PHASE

Drive Circuit unipolar

const. volt. bipolar chopper

Drive Voltage 24[V] 24[V] Current / Phase 600[mA] Coil Resistance / Phase 50[ ] 6.6[ ] Drive IC 2SC3346 UDN2916B-V

Magnet Material

Ferrite plastic magnet (MSPL) Polar anisotropy ferrite sintered magnet (MS50) Nd-Fe-B bonded magnet (MS70)

Insulation Resistance 100M [ ] MIN Dielectric Strength AC 500[V] 1[min] Class of Insulation CLASS E Operating Temp. -10[ ] 50[ ] Storage Temp. -30[ ] 80[ ] Operating Hum. 20[%] RH 90[%] RH

Fig. 10. Nodo de generador acoplado [Autores]

C. Diseño e implementacion del plato de carga

La Fig.11 muestra el esquema constructivo

propuesto para el plato de carga. Este plato fue construido de plywood, y, se acopló al sistema de barras rígidas y a la mochila, tal como se describe en la Fig.12.

Fig. 11. Esquema constructivo del plato de carga, realizado en

CadStd lite v3.73 [Autores]

Fig. 12. Mochila acoplada al plato de carga [Autores]

D. Diseño e implementación de las correas de

carga

En esta etapa, se decidió reutilizar una mochila común de mercado, a la que se adaptó el marco rígido, el sistema de barras móviles, y, el nodo de generación, tal como lo muestran las Fig. 13 y 14.

Fig. 13. Acoplamiento de las correas de carga [Autores]

Fig. 14. Mochila de carga sus pendida terminada

[Autores]

IV. EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL PROTOTIPO

Las pruebas preliminares efectuadas con la mochila

implementada, permitieron demostrar que si es posible capturar energía durante la caminata de un pedestre. Sin embargo, se detectó una serie de problemas con el diseño mecánico, que no permiten que la carga se distribuya uniformemente, lo que compromete el funcionamiento del nodo de generación. Estos problemas se atenderán en trabajos futuros.

V. CONCLUSIONES

• La implementación de prototipos de harvesting de energía al caminar, enfrenta retos mecánicos, eléctricos, electrónicos, y, otros de diversa índole, razón por la cual es necesario conformar equipos de trabajo multidisciplinarios.

VI. REFERENCIAS

[1] “Mochila de alta tecnología genera electricidad a medida

que camina” [en linea] disponible en: <http://www.livescience.com/9332-high-tech-backpack-creates-electricity-hike.html>

[2] MBL, “un nuevo giro en el poder caminar” [en linea] disponible

en:<http://hermes.mbl.edu/news/press_releases/2005/2005_pr_09_06.html>

[3] “Una mochila que produce energia electrica” [en linea] disponible en: <http://www.solociencia.com/ingenieria/06020729.htm>

[4] “Suspended load ergonomic backpack” [en linea] disponible en: <http://www.google.com/patents/US7931178>

[5] CadStd CAD ESTÁNDAR [en linea] disponible en : <http://www.cadstd.com/news.html>

[6] PM Motors - PM Type [en linea] disponible en : < https://enmb.us/content/html/en/motor_list/pm_motor/pm35s048.shtml>

[7] Motor NMB-MAT PM35S-048 [en linea] disponible en : < https://enmb.us/content/html/en/motor_list/pm_motor/images/pm35s_pic.gif >