(GENERACION DE ELECTRICIDAD PARA USO DOMESTICO CON UN MOTOR STIRLINGResumen Este proyecto consiste en la construccin de un motor Stirling el cual tiene un sistema de acoplamiento dentado al cigeal del motor y una faja que va conectada a un generador elctrico. Esta energa generada es para uso domestico en nuestro caso para cargar un telfono celular esto gracias a que la anergia antes de ser utilizada pasara por un pequeo regulador de voltaje y corriente para utilizarla. As como tambin cuando el sistema de carga de celular no est en uso se cargara una batera para el almacenamiento de la energa generada por el motor esto es realizado por un sistema de interruptores para cambiar el flujo de energa en los diferentes puertos de carga. El motor Stirling construido utiliza como fuente de calor externa una llama. Dicho motor consiste en dos pistones montados horizontalmente con un mecanismo de tuberas para la circulacin del aire uno de los pistones es calentado lo que provocar as, la diferencia de temperaturas entre el lado caliente y fro y crear variaciones en la presin y volumen del aire dentro de los pistones entre las dos cmaras y estas variaciones hacen que el motor funcione.

I. INTRODUCCION

Producir energa para uso domstico ms limpia es posible con el motor Stirling ya que funciona con una fuente menos contaminante ya que es un motor de combustin externa podra utilizar cualquier medio generador de calor para funcionar disminuyendo as la emisin de xidos a la atmsfera por la alta quema de combustibles fsiles esta es una gran diferencia con respecto a otros motores y es que se puede utilizar directamente la energa solar en estos motores.

Entonces si el motor no produce gases de escape y puede funcionar con fuentes de energa menos contaminantes y tiene una eficiencia alta.

Por qu no se utiliza para la produccin de energa?

Algunos impedimentos que se pueden destacar es que los motores actuales se producen en masa, y un cambio en la industria para producir otro tipo de motor representa una gran inversin y por lo tanto un elevado precio en la fabricacin de nuevos tipos de motores.

Otro impedimento tiene ms que ver exclusivamente con los beneficios monetarias ya que al sustituir las fuentes de energa y usar en menor cantidad los combustibles fsiles las empresas y pases que los producen y distribuyen, no estn dispuestos a cambiar por esta nueva alternativa y tambin por el hecho de que los avances tecnolgicos en materia de energas alternativas, como la solar, aun son insuficientes para utilizarlas ampliamente.

Los beneficios ambientales con este tipo de motor para la produccin de energa domestica seran enormes disminuyendo en gran medida las emisiones de contaminantes. Ejemplo: En Argentina, la Universidad Nacional de General Sarmiento, elabor un dispositivo mecnico Stirling para generar electricidad. (Fig. 1)

Fig. 1 Dispositivo consistente de una parbola solar y un motor StirlingEsta tecnologa se considera que ser de gran aplicacin para regiones donde hay un gran nmero de pobladores dispersos, a los cuales sera muy costoso llevar la red elctrica ver [1].

As, los retos en lo que se refiere a la energa son lograr un mejor aprovechamiento de las fuentes no contaminantes y al mismo tiempo producir motores ms eficientes. El invento de Robert Stirling podra ser la clave y convertirse en lo que l imagin: el motor del futuro.II. DESARROLLOLa construccin del motor Stirling para la produccin de energa est dividida en varias etapas pero podemos sealar dos puntos de anlisis importantes:1. Zona caliente: Esta es la parte del motor donde se le entrega (transfiere) calor, y, por consiguiente, estar sometido a altas temperaturas.

2. Zona fra: En esta parte se extrae calor del motor. La extraccin de calor puede realizarse por conveccin libre o forzada. En nuestro caso ser libre, porque la realizaremos mediante la colocacin de un sistema de aletas de aluminio. Esta es una parte muy importante del motor, porque debe ser capaz de evacuar gran parte del calor que recibe el motor.

Fig. 2 Ilustracin zona fra y zona calienteA. Funcionamiento del motor Stirling

El funcionamiento del motor Stirling se basa en el aprovechamiento de los cambios volumtricos del fluido de trabajo en nuestro motor seria el aire. Estos cambios volumtricos se deben al desplazamiento del fluido de trabajo entre la zona caliente y la zona fra en un cilindro cerrado.

Si se tiene aire encerrado en un cilindro y luego se calienta, se observa que la presin dentro del cilindro se incrementa, entonces habr una expansin del gas en el interior del cilindro hasta cierta posicin final del mbolo. Si al mismo cilindro, en su estado de expansin, se enfra rpidamente, la presin disminuye y vuelve al estado inicial. Si el proceso se repite, pero ahora uniendo el mbolo a una volante. El incremento de la presin forzar al mbolo a moverse ocasionando el giro de la volante. B. Construccin del motor Stirling

Nuestro motor est compuesto por varios componentes entre los cuales podemos destacar la base, cigeal, volante, bielas y el circuito elctrico. En breve se dar una pequea descripcin de los componentes que conforman el motor.1. Base: Estructura fabricada en madera donde van todos los dems componentes acoplados los que posteriormente conformaran el motor, este es el nico elemento que se mando a fabricar el diseo que se utilizo es el que se muestra en la figura 3.2. Transmisin de movimiento: Este elemento que es el que d ms precisin de armado requiere donde cometimos muchos errores que se analizaran posteriormente, est conformado por tres componentes principales: Cigeal: Diseado para transferir el movimiento horizontal de los pistones en movimiento rotacional, este elemento se construyo con hierro y ha sido torneado para darle la forma que se presenta (ver Fig. 3) para trasferir el movimiento lo mejor posible. Volante de Inercia: Componente que aporta al sistema unainerciaadicional de modo que le permite almacenarenerga cintica. El volante contina su movimiento porinerciacuando cesa elpar del motor, este componente es diseado tomando como base un disco para cortar cemento al cual se le aadieron diferentes pesos en los extremos para aumentar su inercia. (Fig. 3) Bielas y manivelas: En cada pistn encontraremos este mecanismo encargado de ayudar a transformar el movimiento horizontal de los pistones en rotativo las dos bielas con un pivote en la base del pistn y otro en el cigeal, construidas de hierro garantizan que soportaran la fuerza realizada por los pistones. (Fig. 3)Fig. 3 Diseo de la base o soporte y el sistema de transmisin del movimiento3. Pistones: Para estos se utilizan un par de jeringas de vidrio que tambin desarrollan la funcin de cilindro los cuales recibieron un tratamiento para disminuirles la resistencia en su interior fueron lijadas y luego pulidas para este fin. El acoplamiento de las bielas esta realizado en el pistn y el sistema de flujo de aire en el otro extremo. (Fig. 4)

4. Sistema de flujo de aire: El fluido viaja a travs de una tubera de cobre en la cual est un disipador que est en contacto con el aire frio del entorno lo cual ayuda a eliminar parte del calor del fluido para su ingreso a la zona fra. (Fig. 4)

Fig.4 Sistema pistn-cilindro y sistema de flujo

5. Sistema Elctrico: Este se acciona por un sistema de rueda dentada que est unida al cigeal donde va una faja que acciona el generador, para producir la energa que pasa por un pequeo transformador para luego ser enviada al sistema de distribucin donde hay dos switchs uno acciona el cableado del puerto USB y el otro del de carga de la batera que posee integrada un regulador para cargar y luego entregar de nuevo la carga (UPS) en la Fig. 5 se aprecia un pequeo esquema de nuestro circuito.

Fig. 5 Esquema del sistema elctrico de nuestro motorC. Ensamble de todos los componentes del motorAl describir brevemente los componentes del motor podemos proceder al armado del mismo. Al tener la base que es el elemento principal ya que es donde va todo montado se procede a armar en el cigeal el volante de inercia y el extremo de bielas todo en un mismo conjunto que se acoplaron en el extremo derecho de la base (ver Fig. 6), al ajustar estos elementos comienza la colocacin de los pistones en la base que se sujetan con un par de abrazaderas luego se procede a acoplar el sistema de bielas con los pistones al cigeal. Al comprobar que el sistema pistn, bielas y cigeal estn alienados se coloca el disipador de calor en el extremo izquierdo de la base, este se acoplo con silicn especial que es resistente a altas temperaturas, con estos elementos ya acoplados se tiene todo el sistema del motor armado y viene la colocacin del sistema elctrico.

El sistema elctrico se construyo sobre una base de metal-madera la colocacin se realizo en el extremo izquierdo de la base el motor (ver Fig. 6), al tener el circuito montado se realizo el ajuste de la faja con el cigeal del motor ya que tiene que estar alineado para transferir de mejor manera todo el movimiento rotacional del motor al generador elctrico con este fin se colocaron unas guas de faja as como un tensor para ayudar a mantener la faja en optimas condiciones de funcionamiento.

Fig. 6 Motor y sistema elctrico acoplados

III. RESULTADOS

Con el nimo de que ambos sistemas (motor y circuito) estuvieran funcionales fue necesario realizar pruebas a estos. A cada uno se le realizaron individualmente, el primero en comprobar su funcionamiento es el circuito elctrico con lo que se le realizaron mediciones de energa.Como primer paso conectamos nuestro generador con una faja a un motor externo realizamos las mediciones a la salida de sus contactos y nos arrojaba lectura de voltaje de 14 voltios los cuales eran conducidos hasta el transformador al llegar a este era necesario reducir el voltaje hasta los 5 voltios para comprobar esto se tomaron lecturas de salida del transformador y las lecturas tomadas eran las necesarias para la finalidad de este proyecto. Al comprobar que el sistema elctrico era funcional se procedi a conectar un telfono celular al puerto USB de carga al percibir el comportamiento del telfono notamos que se estaba cargando con lo que se pudo determinar que el circuito elctrico tiene las optimas condiciones de funcionamiento.

Al proseguir con la comprobacin del motor y realizar las pruebas de funcionamiento se encontraron varios errores tcnicos uno de los principales era el sistema de biela ya que en un primer diseo se construyeron en dos segmentos con pivote en el centro y uno en el cigeal lo que provocada una gran prdida de la fuerza que impulsaba el cigeal este error se corrigi rediseando las bielas y as llegamos al diseo que se utilizo con los pivotes en ambos extremos (Fig. 7b).

Fig. 7 a) diseo inicial, b) diseo final

Otro inconveniente detectado fue el diseo del cigeal la carrera de los pistones en un principio era demasiado lo que provocaba que se saliera el pistn del cilindro por lo que se tuvo que disear un nuevo cigeal la carrera en un principio era de 3.5cm (ver Fig. 8) y se redujo a los 2.5cm con lo que se resolvi en gran medida el inconveniente de la carrera del pistn.

Fig. 8 Diseo original del cigealAl resolver estos inconvenientes no se pudo arrancar el motor se calent por 2 minutos una de las jeringas pero no se consigui hacer girar el motor esto debido a que incluso solucionando lo anterior el sistema aun tena mucha friccin se busco resolverlo poniendo aceite a todas las piezas de contacto y giro para disminuir la friccin pero aun as no se consigui hacerlo girar el motor por lo que intentamos calentar mas el aire de la jeringa pero lo que se consigui fue que el cilindro usado se dilatara lo cual incremento ms la friccin por lo que el motor no funciono esto se analizara en las conclusiones para intentar darle respuesta a por qu no funciono el motor. IV. CONCLUSIONES

El sistema diseado no cumple con los objetivos propuestos en el Proyecto de Termodinmica, motor Stirling para cargar un telfono celular, ya que desde el principio se comenz a tener problemas con el diseo como se mencionaron algunos anteriormente

Se consulto varios documentos acerca de los motores Stirling y algunas tesis para intentar resolver este problema ver [3], [4].Por la lectura tomada se procedido a inspeccionar todos los elementos del sistema nuevamente una razn que se puede mencionar por la que no funciona el motor es la de que incluso disminuyendo la altura de 3.5cm a 2.5cm del cigeal con respecto al pistn (ver Fig. 8) esta carrera es aun demasiada y al llegar a su punto ms alto o bajo(ver Fig. 9) el ngulo formado por los pistones y el cigeal es an demasiado lo que provoca que se pierda mucha de la fuerza generada por el pistn como se observa en el diagrama de fuerzas en la figura 9 la fuerza Fy es la que se pierde cuando alcanza su punto ms alto o bajo por lo que no nos genera la suficiente fuerza Fx para mover el sistema es as como al disminuir el ngulo podramos aumentar la fuerza efectiva y lograr mover el motor y pero esta modificacin provocara que todo el diseo de la base se haga de nuevo y ajustar la colacin de las jeringas al nuevo diseo que se hara al cigeal.

Fig. 9 Vista lateral del sistema de transmisin del movimiento y las fuerzas que en el actanLas fuerzas de friccin de los elementos son muy grandes el mtodo que se utilizo para disminuirlas no es el adecuado ya que al adicionar aceite a las elementos la soluciones no era permanente solo duraba cierto tiempo porque ningn elemento contaba con algn dispositivo de almacenamiento de aceito lo que hace que se cayera y quedaban de nuevo friccionados entonces es de hacerles algn dispositivo de almacenamiento o bien intentar pulir lo mejor posible todas las superficies de contacto y rodamiento.

La utilizacin del vidrio para la construccin del mecanismo pistn cilindro no fue el adecuado ya que como se sabe al aumentar el calor de la llama en el cilindro la eficiencia del motor aumenta generando una mayor potencia pero en nuestro caso al intentar aumentar el tiempo de la llama en el cilindro por ser un material de vidrio la llama provoco que se dilatara generando el aumento de la friccin que se menciona anteriormente en todo el motor provocando que el movimiento se restringiera por ello sera recomendable elegir un material para los pistones que sea capaz de resistir la dilatacin de calor y que a su vez no introduzca fugas o friccin en los pistones es de esencial importancia en el diseo del motor Stirling. El material de la base debe ser capaz de resistir el esfuerzo de los pistones as como el peso de los dems elementos montados en esta. En este proyecto si bien la base cumpli con su objetivo al manipular mucho tiempo provoco que se aflojara mucho la estructura de matera lo cual nos llevo a desarmarla por completo y reajustar cada elemento adicionando pegamento y unos tornillos de mayor dimetro para mejorar el fajamiento requerido.Con la solucin de los anteriores errores se podra poner en marcha el motor dado que la utilizacin del motor Stirling es una tecnologa an en desarrollo y que podra ser capaz de suplir las necesidades energticas en varias circunstancias en este proyecto la utilizacin domestica. El motor Stirling posee un gran potencial como una tecnologa alternativa y amigable con el ambiente, una caracterstica que es de extrema necesidad y que los motores de combustin interna carecen. Con el correcto enfoque y la adecuada aplicacin y diseo, el motor Stirling puede resultar ser una tecnologa altamente eficiente. V. ESPECIFICACIONES

A continuacin se exponen las especificaciones elctricas del circuito tomadas de la prueba realizada.Voltaje a la salida del dinamo (generador):14V.

Voltaje a la entrada del transformador: 14V. Corriente a la salida del transformador: 600mA.

Voltaje a la salida del transformador: 5.5V

Corriente en la entrada de la batera: 600mA.

Voltaje en la entrada de la batera: 5.5V.

Corriente a la salida de la batera: variable 500mA a 650 mA. Voltaje a la salida de la batera: 5V.VI. Referencias

[1] Solar Powered Stirling. Disponible en internethttps://www.youtube.com/watch?v=EahfGfDdgNY [2] Infinia Stirling Solar Generator. Disponible en internet

https://www.youtube.com/watch?v=VEpq-WCTOrM[3] Agero Samora, V. R., Diseo y Construccin de un motor Stirling para la generacin de energa electrica, Tesis para optar el grado de Ingeniero Mecnico, FIM, UNI, Lima, Per, 2006. Disponible en internet en http://cybertesis.uni.edu.pe/bitstream/uni/756/1/aguero_zv.pdf[4] Maquinas Trmicas Motoras, pp. 391465, Universidad Politcnica de Catalua, Barcelona, Espaa , 2002. Disponible en internet en

https://fbermejo.files.wordpress.com/2010/02/maquinas-tc3a9rmicas-motoras_jesus_callejc3b3n.pdf[5] Diseo de Motores Stirling:prdidas. Disponible en internet enhttps://mstirling.wordpress.com/2009/01/28/diseno-de-motores-stirling-perdidas/[6] La microcogeneracin, Disminucin del consumo elctrico, pp. 12, fundacin gas natural, 2010. Disponible en internet en

http://www.fundaciongasnaturalfenosa.org/sitecollectiondocuments/publicaciones/fichas%20pedag%c3%b3gicas/a3%2002_12_2010/ficha_a3_02.12.2010.pdf