CARGADOR DE DISPOSITIVOS MVILES ADAPTADOUNA BICICLETA

IntroduccinEn la actualidad tenemos a nuestro alcance distintos tipos de tecnologas que nos facilitan nuestro modo de vida. Sin embargo, toda esta tecnologa requiere energa elctrica para su funcionamiento. Hoy en da existe la necesidad de encontrar formas de generacin de energa que no produzcan un impacto negativo en el medio ambiente. La exigencia mundial de energa elctrica es muy alta. La forma de explotar los recursos naturales para abastecer al mundo de energa ha tenido consecuencias negativas en nuestro medio ambiente. Por este motivo es importante impulsar el uso de las energas renovables. Las bateras siguen siendo el principal problema de los dispositivos mviles, especialmente de los smartphones que son los que se utilizan con ms frecuencia e intensidad a lo largo del da. De hecho cada vez es ms comn el uso de bateras externas para cuando se est quedando sin energa el telfono.

En este trabajo se muestra la investigacin, anlisis y desarrollo de un generador elctrico que utiliza el principio de induccin magntica y que tiene como objetivo principal la obtencin de energa elctrica mediante energa mecnica para la alimentacin elctrica de dispositivos electrnicos, especficamente de telfonos celulares.

Objetivos Diseo de un mecanismo adaptable a cualquier bicicleta capaz de transformar energa mecnica en elctrica para poder cargar un dispositivo mvil Ayudar al medio ambiente debido a la promocin de material reciclado y el uso de energas renovables Promover el ejercicio para el cuidado de la salud en la sociedadEstado del arteDesde siempre el hombre ha buscado diversas fuentes de energa til para vivir. El desarrollo de la electricidad permiti un gran avance en la vida cotidiana del hombre. Hoy en da los aparatos electrnicos forman parte de nuestro da a da, y su forma de carga en especfico de los dispositivos mviles se ha convertido en una necesidad de todos.Nuestro proyecto presenta una propuesta de la transformacin de energa mecnica en elctrica para as poder cargar un telfono celular por medio de un generador elctrico adaptado a una bicicleta. Sin embargo ya existen dispositivos de carga comerciales que transforman energa y as se pueda cargar un celular sin necesidad de tener que depender totalmente de un cargador convencional de pared, utilizando diferentes tipos de diseos y mecanismos. Los dispositivos (Figura 1) van desde cargadores a base de una bomba de aire, por medio de celdas solares, por medio de una manivela y hasta un cargador que utiliza el calor de los pies, pero para este trabajo slo sern considerados los dispositivos que utilicen una bicicleta debido al principio de nuestro mecanismo pensado.

Figura 1. Diferentes tipos de cargadores para celularA continuacin se presenta un anlisis de dichos dispositivos encontrados.Nokia Bicycle ChargerLa marca Nokia lanz un cargador para telfono celular llamado Nokia Bicycle Charger, el cual se compone de un cargador, un soporte para fijar el telfono al manubrio (Figura 2) y una dinamo para instalar en la bicicleta (Figura 3). El voltaje se estabiliza para recargar la batera del telfono mientras el usuario pedalea la bicicleta. Este cargador comienza a recargar la batera a partir de 6 km/h; la empresa afirma que si el usuario mantiene una velocidad promedio de 10 km/h durante 10 minutos obtendr energa suficiente para llamar durante 28 minutos. Su costo aproximado es de 15 euros.

Figura 2. Muestra de soporte de celular en Nokia Bicycle Charger Figura 3. Dinamo de "Nokia Bicycle Charger" adaptado a llanta de la bicicletaDinamo de mazaExiste en el mercado una dinamo de maza (Figura 4) que sirve nicamente para la iluminacin de la bicicleta. Se coloca en el eje de la llanta delantera de la bicicleta y se conecta dos luces led, una delantera y una trasera. Esta dinamo tiene la capacidad de almacenar energa para mantener las luces encendidas durante 4 minutos mientras la bicicleta se encuentra esttica. Su costo aproximado es de $3,350 pesos. La potencia del generador es de 3 Watts y su voltaje de 6 Volts

Figura 4. Ejemplo de dinamo de mazaBiologic ReechargeTiene como caractersticas una batera de 1600 mAh de polmero de litio. Es compatible con la mayora de los telfonos celulares actuales (Figura 5), sin embargo, este producto no incluye el generador. Adems es compatible con cualquier dinamo de maza. El dispositivo controla la energa entrante y saliente. Se carga tambin mediante un puerto USB de computadora o al enchufarse al tomacorriente. Se utiliza para recargar el telfono celular, ya sea que se pedalee o no

Figura 5. "Biologic Reecharge" adaptado a un manubrio de bicicletaSiva Cycle AtomSe coloca fcilmente en el eje de la rueda trasera (Figura 6), de modo queel rotor magntico produce un flujo de electricidad cuando la rueda gira. Un cable USB normal basta para conectar el telfono -el cual puede ir en el bolsillo, en la mochila o en un soporte para bicicletas- y que se cargue mientras se circula. O se puede no conectar y dejar que simplemente se cargue la batera porttil que va acoplada junto con el mecanismo generador de electricidad (Figura 7). La cantidad de electricidad que se puede obtener del puerto USB del ordenador, 5 volts a 500 mA. A ms velocidad, ms rpida ser la carga (se generar ms potencia), limitado hasta un mximo de 4,5 vatios -independientemente de la velocidad a la que se circule- para evitar daos y sobrecargas.

Figura 6. "Siva Cycle Atom" adapatado a la llanta trasera de una bicicleta

Figura 7. Muestra de dispositivo en donde se puede apreciar la adaptacin de batera recargableDentro de la investigacin tambin se revis el rea de patentes para conocer, en caso de que ya existan o se encuentren en proceso de desarrollo.La patente nmero US 6,717, 280 B1 de Estados Unidos explica en su resumen cmo es que su sistema cargador de batera (Figura 8) aprovecha la fuerza de pedaleo de una bicicleta estacionaria o fija para hacer rotar un eje que se conecta mediante una banda o cadena a un dinamo. El movimiento de rotacin se transmite por medio del disco de pedaleo, junto con la banda o cadena, al eje de la dinamo. Esta dinamo es una rueda que est fija y tiene una serie de imanes. Est en relacin con otra rueda que tiene una serie de bobinas; de esta manera se genera la energa elctrica. En caso de que el usuario se detenga a descansar, la bicicleta tiene la capacidad de seguir girando el dinamo para no detener la generacin de energa elctrica. Por ltimo, la energa elctrica se almacena en una batera.

Figura 8. Muestra del diseo del prototipo de la patente US 6,717, 280 B1La patente nmero US 2004/0095092 A1 de Estados Unidos explica su sistema de suministro y carga de bicicleta como uno que contiene una dinamo para recarga mientras la bicicleta est en movimiento (Figura 9). Un rectificador y un regulador de salida de voltaje se encargan de convertir a CC el voltaje que genera la dinamo para alimentar las bateras de telfonos celulares, reproductores MP3 o radios. Figura 9. Diseo del prototipo de la patente US 2004/0095092 A1 La patente nmero US 2011/0080071 A1 de Estados Unidos es un sistema que suministra carga mediante una bicicleta mvil (Figura 10). Incluye una dinamo de eje, montada en el eje de la rueda de la bicicleta (maza), que genera la energa elctrica. La dinamo se conecta a un mdulo que realiza la conversin CA a CC. A

Figura 10 Diseo del prototipo de la patente US 2011/0080071 A1Justificacin del trabajoLa bicicleta es un excelente medio de trasporte que tiene muchsimas ventajas, como el poder moverte rpidamente, no contaminar y ser un buen camino a seguir para una vida saludable. As mismo, podemos sumarle el hecho de que podemos aprovechar su manera de funcionar para transformar energa mecnica en elctrica mientras nos transportamos. La propuesta del presente proyecto es desarrollar un generador elctrico para as poder cargar un dispositivo mvil. La ley de la induccin electromagntica publicada por Faraday consiste en que, a partir de campos magnticos variables respecto al tiempo, es posible producir campos elctricos y, en consecuencia, corrientes elctricas. Esta ley permite el funcionamiento de los generadores elctricos.La idea bsica de un generador elctrico consiste en el movimiento de un imn (rotor) frente a una bobina (estator), transformando energa mecnica en energa elctrica. Lo que importa no es la velocidad angular del imn, sino su velocidad tangencial, que es el producto de la velocidad angular por el radio de giro del imn o distancia radial del imn al eje de giro. Para generar la misma cantidad de fuerza electromotriz (fem), un generador cuyos imanes estn cerca del eje de giro necesitar ms velocidad angular (rpm) que un generador cuyos imanes estn ms alejados de dicho eje.En los primeros generadores, los imanes eran en realidad electroimanes que necesitaban una intensidad de corriente o excitacin para poder crear el campo magntico. Poco a poco han aparecido generadores donde los imanes son permanentes, entre ellos los de Neodimio (Nd), Hierro (Fe) y Boro (B), que crean un campo magntico ms intenso que el de todos sus predecesores. Los generadores elctricos se diferencian segn el tipo de corriente que producen. As, nos encontramos con dos grandes grupos de mquinas elctricas rotativas: los alternadores y las dinamos.Los alternadores generan electricidad en corriente alterna (Figura 11). El elemento inductor es el rotor y el inducido el esttor. Un ejemplo son los generadores de las centrales elctricas, las cuales transforman la energa mecnica en elctrica alterna.Los dinamos generan electricidad en corriente continua (Figura 11). El elemento inductor es el estator y el inducido el rotor. Un ejemplo lo encontraramos en la luz que tiene una bicicleta, la cual funciona a travs del pedaleo.

Figura 11. (Seales de salida de un alternador y un dinamoNuestro mecanismo diseado corresponde a un alternador, puesto que primero estamos generando corriente alterna la cual es rectificada mediante un puente de diodos.Como cualquier mquina, la potencia de salida que ofrecen las mquinas elctricas rotativas es menor que la potencia de alimentacin que se les suministra, potencia suministrada. La Potencia elctrica es la relacin de paso de energa de un flujo por unidad de tiempo, es decir, la cantidad de energa entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. Su unidad de medida es el Watt

Donde: P= Potencia (Watts)V= Voltaje (V)I= Corriente (Amperes)La diferencia entre la potencia de salida y la suministrada son las prdidas:

La potencia de salida de un generador elctrico es la potencia elctrica que entrega, la potencia til. La potencia suministrada o total es la potencia mecnica de entrada: la potencia mecnica que absorbe la mquina para poder generar electricidad. Dentro de una mquina elctrica rotativa, las prdidas ms significativas son:Prdidas mecnicas: Causadas por el rozamiento entre las piezas mviles y por la ventilacin o refrigeracin interior de los devanados.Prdidas elctricas o prdidas en el cobre: Se producen en el circuito elctrico y en sus conexiones y son debidas al efecto Joule.Prdidas magnticas o prdidas en el hierro: Dependen de las variaciones que se producen en los campos magnticos y de la frecuencia.As mismo, el cociente entre la potencia de salida (tambin llamada potencia til) y la potencia suministrada (tambin llamada potencia total o absorbida) es la eficiencia. Esta eficiencia se expresa en tanto por ciento (%):

Por lo tanto, la eficiencia de una mquina elctrica determina la cantidad de trabajo til que puede producir, a partir de la energa total que consume.Principio de funcionamiento de un generador elctrico: Ley de FaradayEsta ley nos dice que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magntico en un conductor o espira. Esto quiere decir que si tenemos un campo magntico generando un flujo magntico, necesitamos una espira por donde circule una corriente para conseguir que se genera la f.e.m. (fuerza electromotriz).Este descubrimiento, realizado en el ao 1830 por Michael Faraday, permiti un ao despus la creacin del disco de Faraday (Figura 12). El disco de Faraday consiste en un imn en forma de U, con un disco de cobre de doce pulgadas de dimetro y 1/5 de pulgas de espesor en medio colocado sobre un eje, que est girando, dentro de un potente electroimn. Al colocar una banda conductora rozando el exterior del disco y otra banda sobre el eje, comprob con un galvanmetro que se produca electricidad mediante imanes permanentes. Fue el comienzo de las modernas dinamos Es decir, generadores elctricos que funcionan por medio de un campo magntico. Era muy poco eficiente y no tena ningn uso como fuente de energa prctica, pero demostr la posibilidad de generar electricidad usando magnetismo y abri la puerta a los conmutadores, dinamos de corriente continua y finalmente a los alternadores de corriente.

Figura 12. Disco de FaradayLa cantidad de corriente inducida o f.e.m. depender de la cantidad de flujo magntico (tambin llamado lneas) que la espira pueda cortar, cuanto mayor sea el nmero, mayor variacin de flujo generara y por lo tanto mayor fuerza electromotriz.Los generadores elctricos tambin se dividen en dos tipos, dependiendo del flujo de excitacin (Figura 13): de flujo magntico radial y de flujo magntico axial.

Figura 13. Primer dibujo correspondiente al flujo magntico radial y segundo dibujo correspondiente al flujo magntico axialLo que se considera axial o radial es el campo magntico de los imanes, as que podemos decir que un generador es de tipo radial cuando el campo magntico del imn es perpendicular al eje de giro y axial cuando es paralelo a este eje. Las ventajas de los generadores de flujo axial consisten en su fcil construccin y su bajo costo, por lo que en este proyecto nos enfocaremos hacia all.Generadores de flujo axialEl generador axial se construye principalmente con un disco delgado de hierro que contiene imanes que giran alrededor de un eje perpendicular al mismo, mientras que en otro disco se encuentra una serie de bobinas, como se observa en la (Figura 14). Al interactuar los dos discos se obtiene una fuerza electromotriz (fem) inducida en cada una de las bobinas del generador.

Figura 14. Muestra el esquema de un generador de flujo axialEste es el principio que se sigue en nuestro prototipo, pues como ya se dijo es sencillo de construir as como su costo no es tan elevado.Desarrollo experimentalPrimero se inici planteando cmo se iba a adaptar nuestra idea de un alternador y se empez a hacer las primeras pruebas. Se inici ocupando una bobina de una electrovlvula junto con unos imanes de neodimio de un dimetro de 3/8 de pulgada aproximadamente. Los resultados no fueron favorables pues el voltaje y las corrientes requeridas para iniciar la carga de un celular no fueron los adecuados.Es as como se decidi utilizar bobinas sacadas de relevadores a 5 V con lo cual obtuvimos un voltaje ms grande que en las primeras pruebas, as es como se decidi utilizar un total de 9 bobinas conectadas en paralelo, puesto que lo que requerimos en mayor medida es la corriente para poder cargar un dispositivo. Sin embargo, se opt por cambiar a imanes de neodimio sacados de discos duros desechados, todo esto con el fin de tener imanes ms potentes por un lado y por el otro buscar promover una cultura del reciclaje. Se dise en Solidworks cmo sera la base en donde se pondran las bobinas (Figura 15)

Figura 15. Soporte con las bobinas montadasY posteriormente una manera de colocar 4 imanes distribuidos entre los rayos de la llanta trasera de la bicicleta (Figura 16).

Figura 16. Distribucin de los imanes en conjunto con el soporte de las bobinasPara la base o soporte de las bobinas utilizamos una placa de acrlico que fuimos moldeando hasta obtener la forma adecuada para poder montarse sobre el eje de la llanta de la bicicleta.Luego del diseo del generador nos pasamos a la parte del circuito elctrico, el cual slo consta de un capacitor de 47 F en paralelo con una resistencia de 3.3 k y el circuito integrado 7805 para regular el voltaje a 5V con una salida USB hembra (Figura 17).

Figura 17. Circuito empleado para regular el voltaje a 5VUna vez teniendo el generador elctrico y el circuito comenzamos a realizar pruebas para saber si obtenamos las mnimas condiciones para cargar un telfono celular

Figura 18. Prueba con el generador elctricoSe midi el voltaje que generaba cada bobina y todas en conjunto, logrando alcanzar un voltaje de hasta 22V, el cual pasa por un circuito regulador en el que se disminua a 5V porque es el voltaje estndar para cargar un telfono celular (Figura 19).

Figura 19. Corriente (mA) y Voltaje (V) obtenidos con el generador funcionandoMedimos la corriente promedio y mxima que alcanzaba a generar nuestro dispositivo a la salida, ya que los telfonos celulares demandan una mnima intensidad para poder cargarRealizamos las pruebas pertinentes para poder determinar las rpm mnimas a las que la llanta debe de girar para que un telfono celular comienza a cargar y las rpm mximas a la que el dispositivo alcanzaba la mxima corriente y voltaje.Resultados

Ya teniendo el prototipo montado en la llanta trasera de una bicicleta, se procedieron a hacer las medidas correspondientes para el anlisis de nuestro prototipo.

Se hicieron mediciones de voltaje y corriente con la ayuda de dos multmetros. Y con un tacmetro proporcionado en el Laboratorio de la facultad, se midieron las RPM la llanta.

A continuacin se muestra un concentrado de los datos obtenidos:RPMVOLTAJE (v)CORRIENTE (mA)

193.803.500.45000

210.903.800.58000

220.003.901.00000

227.003.801.20000

230.003.802.00000

231.004.001.69000

250.004.104.00000

273.004.205.90000

304.204.308.78000

352.004.3516.00000

355.004.4021.50000

400.004.4030.00000

497.004.4252.00000

506.004.4055.00000

Se hizo el anlisis necesario y se obtuvieron las grficas a continuacin mostradas:

Grafica I. RPM vs corrienteComo se puede observar en la grfica I anterior, entre ms velocidad la corriente obtenida va aumentando.

Grafica II. RPM vs voltajeEn la grfica II anterior podemos ver que hay un incremento del voltaje esperado hasta llegar a un punto en que se estabiliza.

Grafica III Corriente vs voltajeEn la grfica III podemos ver como el voltaje es estable ante ms corriente.Sin embargo, la relacin importante que tenemos es que a 230 RPM, 3.8 V y 2mA son los datos en donde el celular comienza a marcar cargando.As podemos sacar la potencia obtenida en los diferentes voltajes y corrientes. La tabla siguiente muestra la potencia obtenida.

Potencia

0.0015750

0.0022040

0.0039000

0.0045600

0.0076000

0.0067600

0.0164000

0.0247800

0.0377540

0.0696000

0.0946000

0.1320000

0.2298400

0.2420000

Ahora analizando los datos obtenidos obtenemos la grfica IV.

Grafica IV. RPM vs PotenciaVemos como del mismo modo a mayor velocidad, la potencia se ve incrementa. Teniendo una potencia inicial de 7.6 mW, y una potencia mxima en nuestros datos de 242 mW.DiscusionesSi bien nuestro prototipo no se compara con los dispositivos comerciales ya existentes, sin embargo hasta el momento es funcional a 230 RPM aproximadamente y dependiendo del celular conectado, ya marca que se est cargando y permanece estable.Del mismo modo se considera que an existen mejoras por hacerle al diseo, es posible considerar aumentar el nmero de bobinas para obtener ms corriente y disminuir la velocidad a la cual empieza a cargar el dispositivo mvil.Tomando en cuenta algunos diseos de los dispositivos comerciales, podemos mejorar la estructura de nuestro soporte para celular y para el circuito regulador. Tambin se puede mejorar un poco ms la eficiencia en el dispositivo propuesto.

Conclusiones

El objetivo de este trabajo de lograr cargar un dispositivo mvil se alcanz, puesto que a cierta velocidad se alcanza una corriente y voltaje capaces de empezar a cargar un celular. Del mismo modo estamos cuidando al medio ambiente al reutilizar componentes como los imanes de neodimio encontrados en discos duros ya desechados. Con esto reducimos la contaminacin, como ya sabemos la basura tecnolgica es lo que ms contamina.Sabemos que an existen cosas por mejorar, pero consideramos que eso es bueno puesto que hay muchas formas en las cuales podemos hacer an ms funcional y estable nuestro mecanismo. Siguiendo sobre la lnea de nuestros objetivos para poder cumplir con cada uno, as desarrollar este mecanismo innovador y al mismo tiempo ayudar al planeta y a uno mismo, promoviendo y cuidando el ejercicio para una buena salud.Bibliografahttp://www.amazon.co.uk/Nokia-DC-14-Charger-CR-124-Holder/dp/B00475BGHAhttp://sivacycle.com/index.phphttp://www.thinkbiologic.com/products/reecharge-power-packhttp://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/v.-funcionamento-basico-de-generadoresJaramillo Morales, Gabriel A., Electricidad y magnetismo, Editorial Trillas, Mxico, 1997http://www.tecnoedu.com/F1000/Motor.php http://ambito.com/noticia.asp?id=525870&seccion=Tecnolog%EDa&fecha=03/06/2010 http://solmart.com.mx/wp-content/uploads/manuales/cargadores-solares/VoltaicEspecificaciones-Mochila-Amp.pdfhttp://articulo.mercadolibre.com.mx/MLM-402444110-dinamo-de-maza-para-bicicleta-conjuego-de-lamparas-_JM

Anexo

Dibujo del soporte para las bobinas

Hoja de datos Regulador de voltaje 7805

Hoja de datos Rectificador

Hoja de datos Conector USB Hembra