domingo, 25 de noviembre de 2007

Entrega Final

Resumen

A partir de la contingencia energética nacional y mundial, nace la idea de trabajar en las llamadas energías renovables no convencionales. El presente prototipo a escala, busca representar en forma simplificada la interacción de un dispositivo unidimensional boya-mar, cuyo objetivo es la transformación de la energía del mar en electromotriz. Para ello, se construirá el dispositivo físico y simulará computacionalmente, todo esto en el marco de la teoría potencial y EDP linealizadas.

Teoría

1- Planteamiento problema Hidrodinámico

Supuestos:

- Agua incompresible e irrotacional

- Movimiento boya no afecta el mar

Ecuaciones:

- Continuidad fluido

- Velocidad nula en el fondo

- Condición cinemática y dinámica

- Equilibrio de fuerzas sobre la boya

- Ecuación de Morrison



2.- Solución Linealizada unidireccional

Supuestos:

- Amplitud ola despreciable frente a longitud de onda



Implementación

Generamos olas que perturban el agua haciendo oscilar una boya que flota en la superficie del agua. La boya se encuentra fija a un eje, el cual tiene un imán en su parte superior que pasa por una bobina generando energía eléctrica.







Resultados Simulación

Una vez encontrado el potencial de velocidades, el problema de interacción boya-mar simplificado corresponde a una EDO no lineal en la dirección vertical. Resolviendo por el método de Runge-Kutta se obtiene:



Conclusión

Es un tipo de energía renovable y limpia, sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han impedido una proliferación notable de este tipo de energía, lo cual nos invita a trabajar para una mejora en su implementación de manera de reducir costes y aumentar eficacia. Un gran proyecto a futuro para nuestro dispositivo sería utilizarlo en campos de boyas formando una central generadora de energía eléctrica mediante olas.

viernes, 2 de noviembre de 2007

Tercera Entrega

Para esta tercera entrega actualizaremos principalmente los avances en la implementación y la simulación:

El prototipo del proyecto esta casi terminado, adjuntamos las fotografías a contiuación.







En las fotografías se observa el recipiente de madera, con la cara frontal transparente. Además se puede observar el sistema motor-paleta, que generará las olas automaticamente.

El video con la simulación es el siguiente:



Los parámetros utilizados en la simulación son los siguientes:
L=0.5;%constante de Hook resorte
k=5;%numero de onda
a=1*10^-2;%amplitud ola
rho=1000;%densidad del agua
densidad=800;%densidad boya
R=0.01;%radio boya
h=0.2;%profundidad
w=sqrt(g*k*tanh(h*k));%frecuencia segun relacion de dispersion
r=0.1;%roce viscoso
z0=-0.1;%profundidad inicial

Las siguientes son los gráficos de la simulación:

Gráfico de Posición Boya:



Gráfico de Velocidad Boya:

domingo, 30 de septiembre de 2007

Segunda Entrega

Resumen de la Actualización

Decidimos actualizar los siguientes aspectos del proyecto:

- Variantes al Proyecto General
- Materiales
- Material Visual y de Modelamiento
- Bibliografía (proyectos similares, generación de olas)


Variantes al Proyecto General

Especificaciones del Estanque:

Medidas estanque: Largo 0.8m, ancho 0.2m, alto 0.5m

Materiales: Todas las caras serán de madera, excepto una de las frontales grandes, que será de plexiglás. Las uniones se harán con silicona y clavos, con ayuda de gente del departamento de hidráulica.

Generador de olas:

Consiste en una paleta que va desde el fondo a la superficie y tiene una bisagra en el fondo para regular su movimiento.

Malla con piedrecillas:

Se ubicarán a un extremo del estanque, para absorber las ondas y evitar su reflexión.

Actualización de Precios:



Material Visual y de Modelamiento

A continuación se adjunta una ilustración 3D aproximada de la implementación (desarrollada con SketchUp 5):

Modelo Descriptivo

(click en la imagen para agrandar)

Detalle del Sistema con la Boya

(click en la imagen para agrandar)

Los siguientes son 2 videos preeliminares que modelan las olas generadas junto a la boya (desarrollado con Matlab).





Bibliografía

Documentación:

- Linear Wave Theory Part A - Regular waves - Harald E. Krogstad (PDF)

- Mechanics of nonlinear short-wave generation by a moored near-surface buoy - Q. Zhu, Y. Liu, A. A. Tjavaras, M. S. Triantafyllou Aabd D. K. P. (PDF)

- Generación de Olas – Wavemaker Theory Cap. 6 (RAR/JPG):

- Otros Dispositivos (RAR)

Libros Relacionados:

1. Water wave mechanics for engineers and scientists - Robert Dean y Robert Dalrymple

2. Ocean wave energy conversion - Michael E. McCormick

sábado, 15 de septiembre de 2007

Primera Entrega

Presentaciones

Gabriel Delgado Keeffe: Me encuentro finalizando tercer año de carrera y sigo la especialidad de Ingeniería Industrial Matemática. En general mi interés va dirigido a los fundamentos matemáticos detrás de la modelación y resolución de problemas aplicados en Ingeniería. En base a ello mi preocupación de aprender herramientas asociadas a modelación estocástica, análisis numérico en ecuaciones diferenciales parciales, teoría de distribuciones (análisis de señales), etc.

Creo que el proyecto de Mecánica de Fluidos es una buena instancia para poder desarrollar un problema ingenieril interesante bajo una modelación matemática consistente.

Alejandro Gajardo Repetto: Estoy cursando tercer año en la malla de Ingeniería Civil Industrial Eléctrica. Mi motivación con el curso es poder complementar mi especialidad con los problemas involucrados con fluidos, para poder comprender en forma introductoria los principales procedimientos en la resolución de problemas de este tipo. Pienso que la eléctrica se puede aplicar a distintos problemas, principalmente en el campo de la energía, es decir se puede trabajar en conjunto con todas las demás especialidades.

Moammar Genaro Marco Fleming: Me gustaría seguir ingeniería eléctrica. Tengo demasiadas expectativas en el curso de Mecánica de Fluidos y también en el proyecto que empezaremos a desarrollar, a pesar de que no es un área que pretendo seguir, pienso que me servirá para mi vida profesional; en lo que se refiere al proyecto, éste es un buen tema y creo que podría servir para ideas posteriores, el tema energético siempre es importante.

Vicente José Urcelay Villalobos: Estoy en tercer año de la carrera y me gusta Ingeniería Industrial Eléctrica. Me motiva mucho esta especialidad por el campo en el cual se desempeña. Estoy muy interesado en la parte de Robótica y en la generación de Energía. Es por ésta última que me interesa mucho el proyecto que estamos desarrollando.

Presentación del Tema

En vista de la falta de combustible, ya sea por problemas de disponibilidad o por los conflictos políticos con nuestros países vecinos, Chile se ha visto en la necesidad de buscar alternativas para fuentes de energía como el gas natural o todos los derivados del petróleo. Sabemos que este último lo utilizan bastantes industrias, pero, al igual que el gas natural, no es renovable y además contamina mucho más. Por lo tanto, nuestro objetivo sería buscar alguna alternativa para este déficit energético, que no lo supere demasiado en costos, que no genere un gran impacto ambiental y que pueda satisfacer las necesidades de energía que presenta el país actualmente, pero que además, sea flexible y tenga posibilidades de crecimiento para el futuro.

Dadas las condiciones geográficas de Chile, una fuente de energía muy accesible en todo el país, es la energía hidráulica. Recordemos que tenemos más de 3.000 kilómetros de costa, y por la presencia de la cordillera, también corren ríos, bastante torrentosos, de los que se puede aprovechar la energía.

Estuvimos investigando brevemente sistemas hidráulicos como represas, turbinas marinas (parecidas a las eólicas) y distintos sistemas de obtención de energía maremotriz, decidiéndonos finalmente por enfocar nuestro proyecto a esta última, ya que por su aparente simplicidad, nos da la posibilidad de modificar las soluciones de implementación existentes, enfocando nuestro proyecto a nuestras inquietudes y las necesidades que nos motivan, así como la versatilidad en el cambio de los dispositivos que lo componen.

La energía maremotriz es la energía proveniente de las olas. El fenómeno es provocado por el viento, cuya fricción con la superficie del agua produce un cierto arrastre. Cuando la superficie pierde su lisura, el efecto de fricción se intensifica y las pequeñas rizaduras iniciales dejan paso a olas de gravedad. Las fuerzas que tienden a restaurar la forma lisa de la superficie del agua, y que con ello provocan el avance de la deformación, son la tensión superficial y la gravedad.

Ya existen varios dispositivos que aprovechan éste fenómeno, algunos de ellos son el Wave Plane o el Wave Dragon, desarrollados en Japón (imágenes adjuntas).






En el grupo coincidimos en que la elección de este tema abarca todos nuestros intereses personales y las expectativas referentes al curso, ya que podemos investigar un problema complejo de mecánica de fluidos y complementarlo con nuestras áreas de interés, como son la eléctrica y la resolución del modelamientos con ecuaciones matemáticas.

Descripción dispositivo

El siguiente dispositivo tiene por objetivo la obtención eficiente de energía maremotriz a través de las olas.

A continuación se detalla un esquema en miniatura del dispositivo, el cual se encontrará emplazado dentro de un acuario con forma de sección angular (Fig. 1). La razón de esto es evitar la distorsión de las olas debido a la reflexión en los bordes. A su vez, se colocarán piedrecillas (una especie de playa) en el borde anterior del acuario, de modo de absorber la energía de las olas incidentes (nuevamente se evita reflexión).

El dispositivo propiamente tal, se encuentra conformado por un brazo metálico en forma de L invertida, el cual por un extremo va unido al fondo del acuario y por el otro al sistema electro-magneto-mecánico (Fig. 2). Éste último consiste en un resorte, una varilla, una boya y un imán rodeado por una bobina (solenoide). El objetivo de este sistema es la generación eléctrica. Para ello, siguiendo la disposición de elementos en la figura (Fig. 3), al incidir una ola sobre la boya, debido a la fuerza de flotación, esta tenderá a subir, lo cual comprimirá el resorte (el cual sirve como elemento restaurador) y hará que el imán acelere dentro de la bobina, produciendo un cambio en el flujo magnético dentro del solenoide, induciendo una fem a través de este. Luego que pase la perturbación, el resorte restaurará la posición de la bolla, induciendo nuevamente una fem pero en sentido contrario.


En resumen, a través del paso de las olas, se irá generando una corriente alterna en la bobina.


Organización de Trabajo

Para la realización de este proyecto nos hemos organizado de la siguiente manera:

  1. Tareas individuales: Cada integrante del grupo estará a cargo de un área específica del proyecto. De esta manera incentivamos la participación de cada uno de nosotros en este proyecto. La distribución se presenta a continuación:

· Alejandro: Se encargará del blog. Esto significa estar constantemente actualizándolo con nuestros avances, ya sea, en la parte teórica y práctica como en lo gráfico (Videos, Fotos, Diseño del Blog, etc)

· Gabriel: Estará a cargo de todo lo que respecte a modelación matemática del proyecto.

· Moammar: Estará enfocado en la preparación para la construcción del dispositivo. Esto es la compra de materiales, diseño exacto del dispositivo.

· Vicente: Se enfocará en el diseño y confección del Pendón para el día de la presentación de nuestro Proyecto.

  1. Juntas Grupales: Nos juntaremos 3 viernes al mes, de 15:00 a 17:00 hrs. en la Universidad. De esta forma estaremos todos trabajando en conjunto y no sólo en forma individual.

  1. Cumplimiento de Plazos: Ver Carta Gantt Presentada a continuación:

Mes

Septiembre

Octubre

Noviembre

Semana

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

Entrega 1

3

Junta Grupal

Actualizar Blog

Fabricación

Pendón

Presentación Final

17

Con esta Organización las horas de trabajo requeridas para la realización del proyecto son 24 horas por alumno, considerando las juntas semanales y las tareas asignadas en forma individual.

Estimación de Costos

Cabe mencionar que ésta es sólo una aproximación ya que no sabemos con certeza a que tipo de problemas nos iremos enfrentando en la realización del proyecto.

· Acuario (vidrio) $10.000

· Implementación eléctrica $ 7.000

(Imán, bobina, cables, etc)

· Silicona $ 1.800

· Brazo $ 800

· Bolla $ 500