La demostración de energía eólica impulsada por humanos del equipo OZLC es una pantalla interactiva que presenta un ventilador de manivela, una turbina eólica y una casa modelo. Fue diseñado e implementado durante el semestre de primavera de 2024 de Cal Poly Humboldt. El propósito de la demostración es brindar a los profesores de la Escuela de Ingeniería un método educativo para interactuar con los estudiantes en eventos como la presentación anual de Spring Preview.
Contenido
Fondo
Este proyecto es para el curso de primavera de 2024 de Ingeniería 205, Introducción al diseño, impartido por Lonny Grafman y Qualla Ketchum. Nuestro cliente es la Dra. Eileen Cashman, directora de la Escuela de Ingeniería de la Universidad Politécnica de California, Humboldt. Varias veces al año, el Dr. Cashman y otros profesores asisten a eventos como Spring Preview para mostrar las carreras de ingeniería de Humboldt; sin embargo, carecen de una forma atractiva para que los estudiantes aprendan sobre el programa. Sus mesas suelen estar vacías, salvo los folletos. La solución es diseñar e implementar una pantalla interactiva que represente el programa de ingeniería de Humboldt para que los futuros estudiantes la utilicen en estos eventos. El equipo OZLC está asignado al tema "Demostración de poder humano".
Planteamiento del problema
El objetivo del proyecto de demostración de energía humana del equipo OZLC es diseñar, construir e implementar una pantalla interactiva relacionada con la energía humana que muestre una vista previa y destaque el programa de ingeniería de Cal Poly Humboldt. El objetivo es proporcionar a la Escuela de Ingeniería una manera de despertar el interés de los estudiantes potenciales en la presentación de eventos a través de una atractiva vista previa de lo que pueden esperar aprender aquí.
Criterios
El éxito del proyecto Human Power Demo se puede cuantificar utilizando los criterios y las restricciones correspondientes que se enumeran en la siguiente tabla. Estos fueron revisados y ponderados por la cliente, Eileen Cashman.
| Criterios | Descripción | Peso (1-10) |
|---|---|---|
| Costo | Menos de $500 ($200 del cliente y $75 de cada miembro del grupo) | 5 |
| Portabilidad y configuración | Puede ser movido y montado fácilmente por una o dos personas. | 8 |
| Longevidad | Se puede reparar fácilmente cuando sea necesario y dura al menos diez usos. | 8 |
| Compromiso | De uso intuitivo y fácilmente reconocible como demostración de ingeniería. | 10 |
| Valor educativo | Muestra temas clave y aspectos destacados del programa de Cal Poly Humboldt Engineering | 9 |
Creación de prototipos
El equipo OZLC analizó varias ideas de proyectos diferentes durante el proceso de creación de prototipos. El juego del delantero alto (que se muestra en la primera imagen) era el plan original del proyecto; sin embargo, a medida que evolucionó la comprensión de las necesidades del cliente, finalmente se descartó debido a su bajo valor educativo. El resto de las imágenes representan el proceso de creación de prototipos del producto final, la demostración de energía eólica impulsada por humanos, que tiene un mejor equilibrio entre educación y compromiso.
- Proceso de creación de prototipos
Prototipo de palito de helado a escala reducida del juego High Striker, la primera solución de proyecto que luego se modificó
Ventilador de manivela, el componente interactivo de la segunda y última solución del proyecto (la demostración de energía eólica)
Álabes de turbina impresos en 3D (derecha) y bases de disco del primer prototipo de motor (izquierda)
Segundo prototipo de motor con una base impresa en 3D envuelta en alambre de cobre y una pieza central magnética giratoria conectada a una barra de metal.
Palas de turbina pintadas unidas al diseño final del motor mediante una barra metálica giratoria
Generador de manivela, turbina eólica terminada y motor (todos resaltados en rojo para mayor visibilidad) colocados sobre una tabla de madera, que próximamente se unirán
Tercer y último prototipo de motor acoplado a la turbina.
Producto final
Describe tu producto final aquí con imagen y etiquetas. Comience primero con la descripción general más amplia.
Construcción
Esta galería visualiza y describe brevemente cada etapa de la construcción de la demostración de energía eólica impulsada por humanos.
- Proceso de construcción
Coloque cojinetes cerámicos en la varilla de metal; Esto se utilizará para conectar las palas de la turbina al motor.
Inserte las palas de la turbina impresas en 3D en su pieza central, píntelas de blanco y conéctelas a la varilla de metal.
Prepare el zócalo de madera cortando una abertura para el eje de la turbina, hecha de tubería de PVC reciclado, y pegándola en su lugar.
Pinte el zócalo de azul y use espuma en aerosol verde para crear decoraciones tipo isla; pegue un bloque de madera en la parte superior del eje de la turbina y píntelo de blanco
Imprima en 3D la base del motor, píntela de blanco y envuélvala con alambre de cobre.
Imprima en 3D el componente del motor giratorio e incruste pequeños imanes
Conecte la varilla de metal preconectada a las palas de la turbina a través de la base del motor y la pieza central; pegue la base del motor al bloque de madera encima del eje de la turbina
Utilice bloques de madera para crear una plataforma que incline el ventilador de manivela hacia las aspas de la turbina; Cierre con brida o pegue el ventilador a la plataforma y pinte de blanco.
producto final; agregue casas impresas en 3D, coloque LED dentro de la casa, etc., etc.
Instrucciones en vídeo
lista de materiales
El equipo OZLC gastó un total de $161 en la demostración de energía eólica impulsada por humanos en todos los componentes. Esto estuvo por debajo del presupuesto y puede ser reembolsado por la Escuela de Ingeniería.
| Componente | Costo |
|---|---|
| Ventilador de manivela | $28.00 |
| Barra de metal | $8.00 |
| Rodamientos cerámicos x 2 | $29.00 |
| Imanes | $3.00 |
| Pintura y espuma en aerosol | $30.00 |
| Alambre de cobre | $10.00 |
| Tabla de madera | $53.00 |
| Costo total del proyecto | $161 |
Operación
La demostración de energía eólica impulsada por humanos, al ser una pantalla interactiva diseñada pensando en los estudiantes de secundaria, es lo más intuitiva de usar posible. Los pasos para operarlo se describen a continuación.
Sigue girándolo hasta que las palas de la turbina eólica estén girando. ¡Deténgase cuando haya terminado de disfrutar la demostración!
Pele aproximadamente 3/8 de pulgada de aislamiento de los cables del panel solar usando un pelacables de calibre 10 o 12 (el que mejor se ajuste)
Mantenimiento
La demostración de energía eólica impulsada por humanos requerirá un mantenimiento ligero aproximadamente una vez al año. Esto puede incluir arreglar el cableado, volver a lubricar los engranajes del ventilador, limpiar los cojinetes o volver a ensamblar cualquier pieza que se haya aflojado. La demostración no es particularmente complicada ni delicada, por lo que no requiere de alguien con conocimientos de ingeniería para estas reparaciones.
Programa de mantenimiento
- Anual
- Vuelva a lubricar los componentes giratorios: lubrique la barra de metal y los engranajes del ventilador del cigüeñal si es necesario
- Limpie los rodamientos: limpie o rocíe el polvo y los residuos de los rodamientos y los puntos de conexión.
- Reensamblaje desde el almacenamiento: pegue o pegue con cinta adhesiva los componentes que se hayan aflojado del tablero
Conclusión
Resultados de las pruebas
El plan original era que el motor generara suficiente electricidad para iluminar el pequeño LED y demostrar más claramente cómo funciona la energía eólica. Sin embargo, los resultados finales de las pruebas del equipo OZLC encontraron que no podía producir suficiente corriente para alimentar la luz. La turbina requiere mucha más velocidad de rotación (y, por tanto, viento) para generar una cantidad útil de energía.
El ventilador de manivela todavía genera suficiente viento para hacer girar las aspas en una cantidad visualmente satisfactoria. El LED terminó siendo alimentado por una pequeña batería ubicada dentro de una casa impresa en 3D, con los cables del motor conectados a la casa con un modelo de poste telefónico con fines estéticos. Incluso sin un motor en funcionamiento, la demostración de energía eólica impulsada por humanos cumple con todos los criterios del cliente y proporciona una visualización interactiva que involucra la energía humana y la energía eólica.
Discusión
El hecho de que la demostración del equipo OZLC no pudiera producir suficiente electricidad para alimentar un LED demuestra la necesidad de grandes parques eólicos marinos. El ventilador de manivela, que generaba una cantidad decente de fuerza eólica, no podía hacer girar las aspas de la turbina lo suficientemente rápido. Esto demuestra la pura fuerza del viento necesaria para provocar una cantidad útil de rotación; una fuerza que se encuentra fácilmente en alta mar. La turbina modelo también era simplemente demasiado pequeña para producir una cantidad viable de electricidad a partir de su energía rotacional. El asombroso tamaño de las turbinas marinas tiene sentido debido a este concepto.
Lecciones aprendidas
La lección general aprendida fue cómo utilizar el proceso de diseño de ingeniería para investigar, generar ideas, planificar, documentar, crear prototipos, probar e implementar un proyecto basado en el cliente. El equipo OZLC aprendió sobre carpintería básica, componentes eléctricos y redacción técnica. La comunicación entre los miembros del equipo y nuestro cliente fue otra habilidad valiosa adquirida. En el futuro, lo que el equipo hará de manera diferente es comunicarse con diferentes profesores con anticipación para discutir componentes de construcción técnicamente pesados, como los motores. De esta manera, la solución final tendrá más posibilidades de funcionar de la manera prevista y los resultados serán más satisfactorios.
Próximos pasos
El equipo OZLC ha terminado con la demostración de energía eólica impulsada por humanos ahora que finalizó el semestre de primavera de 2024. Sin embargo, el siguiente paso lógico para el proyecto sería revisar el motor e intentar generar suficiente electricidad para alimentar el LED como se pretendía originalmente. Por ahora, la Escuela de Ingeniería puede utilizar la demostración en eventos para interactuar con futuros estudiantes de ingeniería. ¡Quizás esos estudiantes algún día descubran cómo modificar el motor de la demostración!
Solución de problemas
| Problema | Sugerencia |
|---|---|
| El ventilador no genera suficiente viento | Apriete los tornillos de la manija y lubrique los engranajes. |
| Las palas de la turbina no giran | Ajuste la inclinación de las aspas girándolas en sus casquillos, probando el ventilador y repitiendo hasta que el ángulo permita el máximo giro. |