Generador Hidráulico

Universidad Universidad Veracruzana Veracruzana Facult acultad de Ingeniería Ingenie ría Tópicos de Energética 1

Generador Hidráulico Integrantes:

Álvarez Alor Benjamín Hernández Jerónimo Julio Cesar Juán Romo Alexis Jovani Paz López Miguel Terán Orozco José Manuel

Catedrático:

Dr. José Vidal Herrera Romero

Coatzacoalcos, Ver. 30 de Mayo de 2016

Generador Hidráulico

Tópicos de Energética 1

Índice 1. Introducción

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2. Antecedentes

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3. Objetivos 3.1. Objetivos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4. Hipótesis

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5. Conceptos básicos 5.1. Principio de conservación de la energía. . 5.2. Energía mecánica . . . . . . . . . . . . . 5.3. Energía Cinética . . . . . . . . . . . . . 5.4. Energía Potencial . . . . . . . . . . . . . 5.5. Energía Hidráulica . . . . . . . . . . . . 5.6. Inducción electromagnética . . . . . . . .

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6. Principio de la conversión de energía hidráulica a Eléctrica 7. Desarrollo 7.0.1. Materiales . . 7.1. Base . . . . . . . . . 7.2. Molino . . . . . . . . 7.3. Leds . . . . . . . . . 7.3.1. Resistencias .

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8. Conclusión 15 8.0.1. Ventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 8.0.2. Desventajas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 8.0.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 9. Bibliografía

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1. Introducción Energías Alternativas, actualmente se denomina energía alternativa, o más propiamente fuentes de energía alternativas, a aquellas fuentes de energía planteadas como alternativa a las tradicionales clásicas. No obstante, no existe consenso respecto a qué tecnologías están englobadas en este concepto, y la definición de energía alternativa difiere según los distintos autores: en las definiciones más restrictivas, energía alternativa sería equivalente al concepto de energía renovable o energía verde, mientras que las definiciones más amplias consideran energías alternativas a todas las fuentes de energía que no implican la quema de ”combustibles fósiles” (carbón, gas y petróleo); en estas definiciones, además de las renovables, están incluidas la energía nuclear o incluso la hidroeléctrica. Los combustibles fósiles han sido la fuente de energía empleada durante la revolución industrial, pero en la actualidad presentan fundamentalmente dos problemas: por un lado son recursos finitos, y se prevé el agotamiento de las reservas (especialmente de petróleo) en plazos más o menos cercanos, en función de los distintos estudios publicados. Por otra parte, la quema de estos combustibles libera a la atmósfera grandes cantidades de CO2, que ha sido acusado de ser la causa principal del calentamiento global. Por estos motivos, se estudian distintas opciones para sustituir la quema de combustibles fósiles por otras fuentes de energía carentes de estos problemas. Una energía alternativa, o más precisamente una fuente de energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. En este trabajo podremos apreciar el principio de conservación de la energía, a través del generador hidráulico para saber así, como es que se transforma la energía mecánica a energía eléctrica. La conservación de la energía mecánica es principio y es el origen de la expresión fuerza conservativa. Cuando la energía mecánica de un sistema se conserva, podemos relacionar la energía mecánica final del sistema con la energía mecánica sin tener que considerar el movimiento intermedio ni el trabajo realizado por las fuerzas involucradas. Cabe mencionar que la energía mecánica no depende de la trayectoria, en caso de que no haya fricción ; como es el caso del generador hidráulico. A lo largo del trabajo se muestra como se logro su elaboración y los pasos que se siguieron para que funcionara en base al principio que lo rige, sabiendo los conceptos de las energías que se transformaran para llegar a la energía eléctrica; teniendo en cuenta que la energía se conservara, es decir; la misma que es al inicio, será al final. En este trabajo se presenta un generador hidráulico que se rige por el principio de conservación de la energía; debido a sus transformaciones que este sufre al ponerse en práctica. El principal objetivo del prototipo es generar energía eléctrica a partir de la hidráulica, conociendo las energías que se transforman al hacerlo funcionar, logrando prender 36 leds. 2



2. Antecedentes Para comenzar a hablar acerca de la historia de la energía hidráulica, diremos que data de muchísimos siglos atrás. Los griegos, fueron unos de los primeros que comenzaron a utilizar y aprovechar la energía proveniente del agua, para así utilizarla en diferentes actividades, como por ejemplo agrícolas. Pero fue en la edad media cuando comenzaron a desarrollarse las maquinarias hidráulicas, al principio éstas no eran de materiales fuertes, la madera se gastaba mucho con la corrosión que le provocaba el agua, así que conforme pasaron los años, los materiales fueron reemplazándose por otros más fuertes y más resistentes, tales como el hierro. Pero no sería hasta los inicios de la Revolución Industrial cuando se aprovecha la energía del agua para la producción eléctrica. La creciente industrialización del norte de Europa provoca una gran demanda de energía que vino a ser suplida, en buena parte, gracias a la hidroelectricidad, ya que la extracción de carbón todavía no era lo suficientemente fuerte como para cubrir las necesidades industriales. Se suele considerar que la primera central hidroeléctrica fue la construida en Northumberland (Reino Unido), en 1880. Un año después comenzó a utilizarse la energía procedente de las cataratas del Niágara para alimentar el alumbrado público, y a finales de la década ya existían más de 200 centrales tan solo en Estados Unidos y Canadá. La energía hidroeléctrica sigue siendo la energía renovable más utilizada en todo el mundo. Se estima que un 20 % de la energía consumida en el mundo tiene origen hidroeléctrico, mientras que en los países en desarrollo este porcentaje se eleva hasta el 33%. Si se compara con otras energías renovables los datos son contundentes: del total de la producción renovable mundial, un 90 % tiene su origen en la hidrogenación. Se trata, además de una energía en crecimiento especialmente en las áreas menos desarrolladas. Según la UNESCO, entre 1995 y 2010 la producción de energía hidroeléctrica habrá crecido en un 65 % en todo el mundo, siendo este aumento especialmente agudo en los países del América Latina, Asia y África. La energía hidráulica seguirá siendo la principal fuente renovables generadora de electricidad durante los próximos años. De acuerdo con las previsiones presentadas por la Comisión Europea en 2010, no será hasta 2030 cuando la energía eólica, que es la renovable que presenta mayores de crecimiento, supere los niveles de producción de electricidad de la hidráulica en la UE. La energía hidroeléctrica funciona de manera muy simple. Para utilizar la energía natural de un río que fluye rápidamente desde una elevación hacia un terreno más bajo se debe controlar su caudal. Esto se logra mediante la construcción de una presa. Ésta detiene el flujo normal del río y crea una reserva detrás de ella. Una planta de energía construida dentro o a lo largo de la presa tiene dos motores diferentes: una turbina y un generador.

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La turbina consta de una serie de aletas angulares montadas en un eje central. La turbina gira mientras un flujo controlado de agua pasa por la planta de energía. El movimiento de la turbina impulsa el generador, que luego produce electricidad. Las plantas hidroeléctricas suministran 650,000 megavatios de energía en todo el mundo. Sin embargo, no todos los lugares del mundo cumplen con las condiciones necesarias para producir este tipo de energía. Para lograrlo, una región necesita tener montañas, ríos y arroyos o precipitaciones intensas. La energía hidroeléctrica funciona de manera muy simple. Para utilizar la energía natural de un río que fluye rápidamente desde una elevación hacia un terreno más bajo se debe controlar su caudal. Esto se logra mediante la construcción de una presa. Ésta detiene el flujo normal del río y crea una reserva detrás de ella. Una planta de energía construida dentro o a lo largo de la presa tiene dos motores diferentes: una turbina y un generador. La turbina consta de una serie de aletas angulares montadas en un eje central. La turbina gira mientras un flujo controlado de agua pasa por la planta de energía. El movimiento de la turbina impulsa el generador, que luego produce electricidad. Las plantas hidroeléctricas suministran 650,000 megavatios de energía en todo el mundo. Sin embargo, no todos los lugares del mundo cumplen con las condiciones necesarias para producir este tipo de energía. Para lograrlo, una región necesita tener montañas, ríos y arroyos o precipitaciones intensas.

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3.


Objetivos

3.1. Objetivos Generales Construir un generador de energía hidráulica que aproveche el movimiento del agua y así poder encender un grupo de Leds. 3.1.1. Objetivos específicos

1. Aprender el uso funcionamiento de un generador Hidráulico. 2. Obtener energía eléctrica a partir de la energía hidráulica que producirá el generador a través de un motor. 3. Demostrar que la energía se crea a través un sistema de gravedad planetaria,conseguir de esta forma energía ilimitada a un menor costo y un mejoraprovechamiento del agua. 4. Utilizar la gravedad y los materiales, para conseguir un sistema inestable que semantenga estable a través del movimiento y así conseguir energía extra. 5. Demostrar que el impacto ambiental es menor. 6. Utilizar los beneficios que trae la Energía Hidráulica como fuente limpia y renovable de energía

4.

Hipótesis

Dependiendo del agua suministrada al generador, podemos afectar la intensidad luminosa de los leds y los volts generados. Para lo cual estudiaremos todo los fenómenos relacionados al suministro de energía eléctrica mediante el uso de generadores eléctricos y se realizaran pruebas para demostrar el funcionamiento del prototipo de generador diseñado. Para realizar la investigación partiremos de las siguientes interrogantes: 1. ¿Cómo funcionan los generadores eléctricos? 2. ¿Cuáles son los componentes a utilizar para la construcción del generador eléctrico casero? 3. ¿Qué estructura física es necesaria para la construcción del generador eléctrico casero? 4. ¿Será posible generar energía eléctrica a bajo costo y accesible a cualquier persona mediante el generador eléctrico casero?

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5. Conceptos básicos 5.1.

Principio de conservación de la energía.

El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.

5.2. Energía mecánica La energía mecánica se puede definir como la capacidad de producir un trabajo mecánico que posee un cuerpo debido a causas de origen mecánico, como su posición o su velocidad. Existen dos formas de energía mecánica que son la energía cinética y la energía potencial. Conservación de la energía mecánica E M EC = E C + E P

Donde E C =es la energía cinética del sistema. E P =es la energía potencial del sistema.

Es importante notar que la energía mecánica así definida permanece constante si únicamente actúan fuerzas conservativas sobre las partículas.

5.3. Energía Cinética La energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. La energía cinetica se puede calcular de la siguiente manera; E C =

1 2 mv 2

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5.4. Energía Potencial Todo cuerpo sometido a la acción de un campo gravitatorio posee una energía potencial , que depende sólo de la posición del cuerpo y que puede transformarse fácilmente en energía cinética. Un ejemplo clásico de energía potencial es un cuerpo situado a una cierta altura h sobre la superficie terrestre. El valor de la energía potencial gravitatoria vendría entonces dado por: E C =mgh

donde m=masa del cuerpo g=aceleración debida a la gravedad h=altura a la que se encuentra la masa Si se deja caer el cuerpo, adquiere velocidad y, con ello, energía cinética, al tiempo que va perdiendo altura y su energía potencial disminuye. Entonces la energía mecánica puede expresarse de la siguiente manera; E mec =

1 2 mv + mgh 2

5.5. Energía Hidráulica Es aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas.

5.6.

Inducción electromagnética

Cuando movemos un imán permanente por el interior de una bonina, el campo magnético provoca en las espira del alambre la aparición de un flujo de corriente de electrones. Este fenómeno se conoce como Inducción magnética.

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6.


Principio de la conversión de energía hidráulica a eléctrica

Una de las principales características cuando se habla de la energía hidráulica desde el punto de vista de su capacidad para la generación de energía eléctrica, es:a) la potencia de su funcionamiento, la cual va en función de su desnivel existente entre la toma de agua y el inferior de descarga del líquido, del caudal que lleva. Como sabemos que la ecuación que posee una masa cuando se eleva a cierta altura es el de energía potencia, el cual esta dada por E P = m · g · h(Joules)

Puesto que la masa es igual al volumen (v)por la densidad(ρ), la energía es E P = ρ · v · g · h kg

La densidad del agua es de 1000 y la aceleración de la gravedad es de 9.8 sm , por lo tanto la m energía del agua es 2

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E P = 1000( kmg ) · v (m3 ) · 9,8( sm ) · h(m)(Joules) 3

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Si ambos miembros de la ecuación se dividen por el tiempo(t) en segundos, se tiene la potencia teórica (P t ) el cual es directamente proporcional al caudal(Q) y a la altura de la caída(h): P t = Q · 9,8 · h(kw)

Esta potencia es teórica porque no se ha considerado la pérdida de energía, por los diferentes equipos que constituyen al generador

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7. Desarrollo El generador hidráulico se refiere a un sistema generador de energía eléctrica, a partir del movimiento del agua que pasa, bien por un solo canal a través de las paletas; que recibirán el agua, haciendo girar la rueda de madera, que a su vez esta hará girar un engrane adaptado a un motor de Aqui va el modelo del motor , para así hacer prender 5 leds y obtener energía eléctrica. 7.0.1. Materiales

Triplay Tablas de madera Pegamento industrial 10 m Cable calibre 12 2 motores de corriente eléctrica de 12 volts. 2m de plástico Ángulo de metal Eje de metal de una impresora pintura roja en aerosol Clavos Barniz Clavos Estaño Cautin Dos caimanes Multimetro 36 leds rojos de 2.2 volts 2 Resistencias de 5.6 ohms Silicon

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7.1.


Base

Para iniciar el proyecto se necesita los materiales anteriores, una vez obtenidos estos materiales se construirá una base el se necesitaron los 4 tramos de ángulo, 2 soleras y 2 pedazos de tubo 1 de , estos se soldaron y quedo listo. 2

(a) Frontal

(b) Lateral

Como se observa en la imagen anterior la base cuenta con 2 orificios en la parte superior ahí es donde será colocado el molino y el eje.

7.2. Molino Una de las partes del generador es el molino. Para llevar a cabo la construcción se pensaron diferentes maneras, una de ellas fue utilizar la impresora 3D que posee la facultad de ingeniería, crear un modelo e imprimirlo ,sin embargo el tiempo de impresión es demasiado y el gasto de material sería excesivo por lo que esa opción no fue viable. Entonces la solución fue elaborarlo con metacrilato,para ello se cortaron 2 círculos de 16cm de diámetro y cada paleta del molino tiene unas dimensiones de 5*5cm, después de tener cada una de las partes se unieron con pegamento para después ser pintados de color rojo.

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Una vez que se que el molino fue elaborado este se colocó en la base , para ello se utilizó un eje el cual perfora al molino en el medio. Con ayuda de 2 rodamientos (estos rodamiento son colocados en los orificios de la base para permitir el giro del eje) se colocó el eje en el molino. Al inicio el diámetro del eje era mayor que el de los rodamiento sin embargo con ayuda de un torno se redujo.Posteriormente se fabricaron 2 poleas las cuales fueron colocadas a un costado del molino(obviamente se colocaron en el eje). Para la construcción de las poleas se ocuparon Cd tradicionales y a este se le pego 2 círculos de metacrilato de 13.5cm de diámetro, el procedimiento se hizo en cuatro ocasiones ya que son 2 poleas

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Cada uno de los motores fueron colocados en cada una de las L mediante unas placas de aluminio el cual se encargara de sostener a cada motor.

Una vez que los motores fueron colocados, se creó una banda para unir a cada polea con su respectivo motor

Con esto ya se cuenta con la estructura del generador.

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7.3.


Leds

Para mostrar el funcionamiento del generador se ocupan 36 Leds de color rojo, estos se encenderán con el trabajo que generé cada uno de los motores, cada motor alimentara a 18 Leds. El lugar donde los Leds són colocados es la siguiente base de madera, dicha base fue fabricada con Triplay

Cada uno de los Leds se fueron colocando con el objetivo de formar el escudo de la UV(al menos esa fue la idea), para colocarlos se tuvo que perforar la base para permitir el paso del cable.

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Mediante el cable calibre 12 los leds se fueron conectando a la protoboard con ayuda de las resistencias.

7.3.1. Resistencias

Se ocuparon 2 resistencias, para calcular el valor de las resistencias se ocupó la siguiente variación de la ley de Ohm. V I

R =

donde V=cantidad de volts deseado que consuma cada Led(2.2volts) I=la corriente deseada que pase por cada led(en este caso 0.4A) Nos queda de la siguiente manera R =

2,2 0,4

R = 5,5Ω

Los Leds se conectaron en paralelo para que el voltaje sea el mismo en cada uno y así pueda consumir los 20miliamperes que cada Led. 14



8. Conclusión 8.0.1. Ventajas

Las centrales son instalaciones para el aprovechamiento hidráulico y convertirlo en electricidad, a bajo costo de mantenimiento y de explotación, trabajan a temperatura ambiente, por lo tanto no se necesitan calentadores o enfriadores para el trabajo y explotación, es decir no hay emisión de gases, las represas ayudan a prevenir las inundaciones y suministran una regulación de flujo de agua destinada para el riego. 8.0.2. Desventajas

Las de los peces que deben nadar aguas abajo para el desove y se encuentran con los altos muros de las represas que son infranqueables, el río pierde nutrientes y salinidad, ideales para la fauna acuática disminuye, son obras de gran infraestructura, entonces necesitan mucho espacio para ser instaladas, muchas especies de animales tienden a desaparecer. 8.0.3. Resultados

Con respecto a los resultados obtenidos, se puede saber que la intensidad de luz y los volts generados dependen de la cantidad de agua que se emplee; pues esta, a mayor cantidad sale con mayor presión,la presión hace que las paletas se muevan con más rapidez, conservándose y transformándose, de esta forma la energía que va de potencial: al momento de caer el agua; a cinética: al momento de girar la hélice, y estas dos energías se transforman en mecánica, transformándose dicha energía mecánica a energía eléctrica, a partir del motor generador; puesto que la corriente generada es producida cuando el campo magnético creado por un imán o un electroimán fijo es decir el inductor, atraviesa una bobina rotatoria (inducido) colocada en su seno; es decir, la bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Los generadores eléctricos son máquinas muy confiables, tienen alta resistencia a elevados esfuerzos eléctricos, mecánicos, térmicos y ambientales. Se espera de estos equipos una vida útil de treinta años de trabajo continuo. Sin embargo, pueden sufrir fallas que es necesario prevenir. Allí radica la importancia de conocer los mecanismos de deterioro que permita tomar acciones preventivas que eviten su salida por falla. La hidroeléctrica, aprovechando la fuerza hidráulica contenida en los cauces de los ríos.

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Por otro lado podemos decir, que si aumentamos la altura de la caída del agua, caerá esta con mayor presión haciendo girar aun más la rueda, logrando así el encendido de los leds a mayor intensidad luminosa y obteniendo mayor voltaje, no se utilizo a mayor altura debido a su medio de transporte. También si se tomara en cuenta que la rueda fuera más pequeña, teniendo el bote a la misma altura que tenemos, aumentaría la velocidad de esta, porque disminuye su volumen y esto provocaría prender los leds a alta luminosidad y obtener un voltaje mayor. Con base a los objetivos, podemos decir que se cumple la transformación y conservación de la energía debido a que las energías presentes (potencial, cinética, mecánica y eléctrica) en el funcionamiento del generador conllevan a la energía hidráulica; ya que es aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua; y que genera energía eléctrica. Por otro lado el uso de la energía hidráulica tiene ventajas: es una energía renovable y limpia de alto rendimiento energético, es una energía inagotable y ecológica, debido al ciclo del agua su disponibilidad es inagotable, es una energía totalmente limpia; no emite gases, no produce emisiones tóxicas, y no causa ningún tipo de lluvia ácida, permite el almacenamiento de agua para abastecer fácilmente a actividades recreativas o sistemas de riego, gracias a ella se pueden regular los controles de flujo en caso de que haya riesgo de una inundación. Así como también conlleva a diversas aplicaciones que pueden servir de utilidad para el ahorro de energía eléctrica y el combustible; podemos decir que sus aplicaciones del generador hidráulico son en: viviendas rurales, sistemas de riego y conexiones a la red eléctrica para la venta de corriente eléctrica. Para el futuro de la energía hidráulica se espera que las pequeñas centrales tenga un importante auge en poco tiempo, una vez que se vayan ocupando los recursos hídricos de gran dimensión, el mínimo impacto ambiental que provocan frente a otras alternativas, tienen como un punto favorable para su desarrollo.

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9. Bibliografía Física. Paul E. Tippens. Conceptos y aplicaciones. Editorial McGraw-Hill, 6ta edición, 2001. Raymond A.Serway-Jerry S.Faughn. Fundamentos de física. Editorial Thompson. 2010. Paul A. Tipler. Fisica para la ciencia y tecnología. Editorial Reverté 6ta edición. Jose María de Juana. Energías renovables para el desarrollo. Thomson Ediciones Spain, 1ra edición-2008. Ing. Manuel Viejo Zubicaray-Javier Álvarez Fernández. Bombas, teoría, diseño y aplicaciones. Editorial Limusa, grupo noriega editores, 2004.

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Generador Hidráulico

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