Desarrollo de un prototipo de generador hidroeléctrico portátil para afluentes hídricos de bajo caudal basado en el principio del tornillo de Arquímedes para alimentar cercas eléctricas
El presente documento engloba los procesos de diseño, construcción y simulación llevados a cabo con el fin de construir un prototipo de generador hidroeléctrico portátil para afluentes hídricos de bajo caudal basado en el principio del tornillo de Arquímedes para alimentar cercas eléctricas. Las act...
- Autores:
-
Mora Gonzalez, Nicolas
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNAB
- Repositorio:
- Repositorio UNAB
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
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- Palabra clave:
- Mechatronic
Archimedes screw
Prototyping
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Desarrollo de un prototipo de generador hidroeléctrico portátil para afluentes hídricos de bajo caudal basado en el principio del tornillo de Arquímedes para alimentar cercas eléctricas Mechatronic Archimedes screw Prototyping Computational fluid dynamics Finite elements Simulation Development of prototypes State of the art Computer-aided design Simulation methods Mathematical models Electric fences Mecatrónica Desarrollo de prototipos Estado del arte Diseño con ayuda de computador Métodos de simulación Modelos matemáticos Cercas eléctricas Dinámica computacional de fluidos Elementos finitos Tornillo de Arquimedes Simulación Prototipado |
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El presente documento engloba los procesos de diseño, construcción y simulación llevados a cabo con el fin de construir un prototipo de generador hidroeléctrico portátil para afluentes hídricos de bajo caudal basado en el principio del tornillo de Arquímedes para alimentar cercas eléctricas. Las actividades desarrolladas abarcan desde la revisión del estado del arte hasta la simulación por dinámica computacional de fluidos (CFD) del tornillo de Arquímedes, construcción del prototipo y pruebas en campo. Las actividades de diseño se realizaron mediante cálculos teóricos en Matlab apoyados por análisis de elementos finitos usando SolidWorks, la selección de los elementos electromecánicos se realizó a través de matrices de despliegue de función de calidad (QFD) y la simulación CFD usando ANSYS en su versión estudiantil. Se logró obtener el diseño mecánico del sistema y los elementos requeridos para la construcción del prototipo además de un primer sketch de simulación CFD con el cual se puede predecir el comportamiento del tornillo de Arquímedes frente al paso del agua corriente. Las pruebas del prototipo arrojaron resultados satisfactorios comprobando la tesis inicial que plantea la posibilidad de obtener energía a través de geometrías alternas y amigables al medio ambiente como el tornillo de Arquímedes. |
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Las actividades desarrolladas abarcan desde la revisión del estado del arte hasta la simulación por dinámica computacional de fluidos (CFD) del tornillo de Arquímedes, construcción del prototipo y pruebas en campo. Las actividades de diseño se realizaron mediante cálculos teóricos en Matlab apoyados por análisis de elementos finitos usando SolidWorks, la selección de los elementos electromecánicos se realizó a través de matrices de despliegue de función de calidad (QFD) y la simulación CFD usando ANSYS en su versión estudiantil. Se logró obtener el diseño mecánico del sistema y los elementos requeridos para la construcción del prototipo además de un primer sketch de simulación CFD con el cual se puede predecir el comportamiento del tornillo de Arquímedes frente al paso del agua corriente. Las pruebas del prototipo arrojaron resultados satisfactorios comprobando la tesis inicial que plantea la posibilidad de obtener energía a través de geometrías alternas y amigables al medio ambiente como el tornillo de Arquímedes.Agradecimientos ................................................................................................................................. 3 Resumen .............................................................................................................................................. 9 Introducción ...................................................................................................................................... 10 Descripción del problema ................................................................................................................. 11 Justificación del problema................................................................................................................. 12 Objetivos ........................................................................................................................................... 13 Objetivo general ............................................................................................................................ 13 Objetivos específicos ..................................................................................................................... 13 Estado del arte .................................................................................................................................. 14 Settle hydro ................................................................................................................................... 14 Unidad de generación micro hidroeléctrica (Pico-pica 10) ........................................................... 14 A micro hydro power plant for distributed generation using municipal water waste with archimedes screw.......................................................................................................................... 15 Dynamic model of small hydro plant using archimedes screw ..................................................... 15 Modelling the energy extraction from low-velocity stream water by small scale Archimedes screw turbine ................................................................................................................................ 15 Effect of slope and number of blades on Archimedes screw generator power output ............... 15 Computational fluid dynamics modeling for the design of archimedes screw generator ............ 16 Marco teórico .................................................................................................................................... 17 Tipos de generación de energía eléctrica ..................................................................................... 17 Principio de generación de energía eléctrica ................................................................................ 17 Sistemas de generación de movimiento por álabes ..................................................................... 18 Principio de funcionamiento del tornillo de Arquímedes ............................................................. 18 ecuaciones fundamentales de flujo .............................................................................................. 19 Simulación CFD (Computational fluid dynamics) .......................................................................... 20 Metodología ...................................................................................................................................... 21 Plan de trabajo .................................................................................................................................. 23 Caracterización del afluente ............................................................................................................. 27 Levantamiento de requerimientos ................................................................................................... 28 Diseño mecánico y modelo CAD del tornillo ..................................................................................... 29 Consideraciones iniciales .............................................................................................................. 29 5 Cálculo de fuerzas ......................................................................................................................... 31 Diseño de ejes sólidos ................................................................................................................... 32 Diseño de la estructura de soporte ............................................................................................... 39 Selección de elementos electromecánicos ....................................................................................... 42 Selección del generador ................................................................................................................ 42 Sistema de transmisión de energía ............................................................................................... 43 Sistema de acople tornillo-generador ........................................................................................... 44 Rodamientos de soporte ............................................................................................................... 44 Simulación CFD del tornillo ............................................................................................................... 45 Diseño de circuito elevador y amortiguador ..................................................................................... 48 Construcción del prototipo ............................................................................................................... 49 Pruebas de funcionamiento .............................................................................................................. 53 Resultados ......................................................................................................................................... 55 Simulación CFD .............................................................................................................................. 55 Prototipo ASG ................................................................................................................................ 56 Conclusiones ..................................................................................................................................... 59 Bibliografía ........................................................................................................................................ 60PregradoThis document includes the design, construction and simulation processes carried out in order to build a prototype of a portable hydroelectric generator for low-flow water affluents based on the Archimedes screw principle to feed electric fences. The activities developed range from the review of the state of the art to the computational fluid dynamics (CFD) simulation of the Archimedes screw, construction of the prototype and field tests. The design activities were carried out by means of theoretical calculations in Matlab supported by finite element analysis using SolidWorks, the selection of the electromechanical elements was performed through quality function deployment (QFD) matrices and CFD simulation using ANSYS in its student version. The mechanical design of the system and the elements required for the construction of the prototype were obtained, in addition to a first CFD simulation sketch with which the behavior of the Archimedes screw against the flow of running water can be predicted. The prototype tests showed satisfactory results proving the initial thesis that proposes the possibility of obtaining energy through alternative and environmentally friendly geometries such as the Archimedes screw.Modalidad Presencialapplication/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/co/Abierto (Texto Completo)Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombiahttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Desarrollo de un prototipo de generador hidroeléctrico portátil para afluentes hídricos de bajo caudal basado en el principio del tornillo de Arquímedes para alimentar cercas eléctricasDevelopment of a prototype of a portable hydroelectric generator for low-flow water affluents based on the Archimedes screw principle to power electric fences.Ingeniero MecatrónicoUniversidad Autónoma de Bucaramanga UNABFacultad IngenieríaPregrado Ingeniería Mecatrónicainfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisTrabajo de Gradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPMechatronicArchimedes screwPrototypingComputational fluid dynamicsFinite elementsSimulationDevelopment of prototypesState of the artComputer-aided designSimulation methodsMathematical modelsElectric fencesMecatrónicaDesarrollo de prototiposEstado del arteDiseño con ayuda de computadorMétodos de simulaciónModelos matemáticosCercas eléctricasDinámica computacional de fluidosElementos finitosTornillo de ArquimedesSimulaciónPrototipadoSuperintendencia de servicios públicos domiciliarios. INFORME SECTORIAL DE LA PRESTACIÓN DEL SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA. 2020.Vivas, Julián. Periódico el tiempo. El mapa de 1.710 poblados que aún se alumbran con velas en Colombia. 2020.Hurtado Sábato, Luis E. El 3% de la población no tiene servicio de energía en Colombia: Minminas. Caracol radio. 2020.Banco de Occidente. Blog Planeta azul. ¿Sabía que Colombia es uno de los 10 países con mayores reservas de agua dulce del mundo?. 2020.Organización de las naciones unidas (ONU). Objetivos de desarrollo sostenible. 2015Raza Ali Mian Muhammad, Xu Dianguo, Ahmed Jaward. A micro hydro power plant for distributed generation using municipal water waste with archimedes screw. 2013.Julien Rohmer, Guy Sturtzer, Dominique Knittel, Damien Flieller, Jean Renaud. University of Strasbourg, Institute of Physics and Engineering. Dynamic model of small hydro plant using archimedes screwMan Djun Lee, Pui San Lee. Curtin University Malaysia. Modelling the energy extraction from low-velocity stream water by small scale Archimedes screw turbine. 2020Guilhem Dellinger, Scott Simmons, William David Lubitz, Pierre-Andre Garambois, Nicolas Dellinger. Effect of slope and number of blades on Archimedes screw generator power output. Revista Elsevier. 2019.Guilhem Dellinger, Pierre-André Garambois, Nicolas Dellinger, Matthieu Dufresne. Computational fluid dynamics modeling for the design of Archimedes screw generato. Revista Elsevier. 2017Enel green power. Francis, Pelton y Kaplan. Tres nombres para tres formas diferentes de aprovechar la potencia de los ríos.Lucio, Daniel. Universidad técnica de Ambato. Diseño y construcción de una mini turbina tipo tornillo de Arquímedes para ser instalada en canales primarios abiertos y generar energía mecánica.2019.Mejía, Julio C. Diseño de una turbina hidráulica basada en el tornillo de Arquímedes. Universidad del salvador. 2011.https://apolo.unab.edu.co/en/persons/sergio-andres-ardila-gomezTHUMBNAIL2023_Tesis_Nicolas_Mora.pdf.jpg2023_Tesis_Nicolas_Mora.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg5757https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/20273/6/2023_Tesis_Nicolas_Mora.pdf.jpg37505951ddac537dd904ba2d466d9e46MD56open access2023_Licencia_Nicolas_Mora.pdf.jpg2023_Licencia_Nicolas_Mora.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg10586https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/20273/7/2023_Licencia_Nicolas_Mora.pdf.jpg25ce9ba0f83cd8c76adcd58a860c5e7eMD57metadata only accessORIGINAL2023_Tesis_Nicolas_Mora.pdf2023_Tesis_Nicolas_Mora.pdfTesisapplication/pdf2553609https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/20273/1/2023_Tesis_Nicolas_Mora.pdfd8232a87ade3d1a9a563edf1a1bf0c97MD51open access2023_Licencia_Nicolas_Mora.pdf2023_Licencia_Nicolas_Mora.pdfLicenciaapplication/pdf809309https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/20273/5/2023_Licencia_Nicolas_Mora.pdfc22a7062e785929199c1f6bda3159d44MD55metadata only accessLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-8829https://repository.unab.edu.co/bitstream/20.500.12749/20273/4/license.txt3755c0cfdb77e29f2b9125d7a45dd316MD54open access20.500.12749/20273oai:repository.unab.edu.co:20.500.12749/202732023-11-23 02:32:55.972open accessRepositorio Institucional | Universidad Autónoma de Bucaramanga - UNABrepositorio@unab.edu.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 |