¨Diseño de sistema de generación de energía sustentable para...

Tema A1a. Diseño Mecánico: Generación de energía.

¨Diseño de sistema de generación de energía sustentable para calzado térmico¨

R E S U M E N

El presente trabajo expone el diseño y fabricación de un prototipo para un sistema de generación de energía, el cual tiene

como objetivo generar una potencia de 5W, aprovechando el movimiento habitual de la marcha. La potencia permite

alcanzar la temperatura de confort dentro de un calzado entre 295.5K y 298.2K; y requiere 0.3365W para mantener la

temperatura. Este calzado es usado en regiones de temperatura extremadamente baja. El sistema está basado en dos

cámaras flexibles que, por medio de conductos y debido a la presión plantar aplicada en antepié y retropié, hace circular

un fluido hacia una turbina, encargada de accionar un generador eléctrico. También se presentan las simulaciones CFD

llevadas a cabo para conocer el movimiento del fluido dentro del sistema, principalmente velocidades y presiones con las

que impacta la turbina. Lo anterior permite validar el prototipo desarrollado con las ventajas de generar energía

sustentable, sea sencillo y económico.

Palabras Clave: Calzado térmico, Generación de energía, Simulación CFD en turbina.

A B S T R A C T

This work displays the design and fabrication of an energy generation system prototype, which has as purpose to generate

5W of energy, by the habitual movement of march. Potency lets to reach a comfort temperature inside a footwear between

295K and 298 K; and requires 0.3365W to keep this temperature. The footwear is used in extremely cool temperature

regions. The system it´s based in two flexible cameras which, by pipelines and by plantar pressure applied on forefoot and

hindfoot, make a fluid circulates trough a turbine, which stars an electric generator. Also, this paper exposes CFD

simulations whish was made to know the fluid movement into the system, firstly pressures and velocities with which the

fluid gets into the turbine. The above helps to validate the prototype whit advantages of generate sustainable energy, it be

easy and economic.

Keywords: Thermal footwear, Energy generation, CFD simulation

1. Introducción

Motivados por el deseo de mantener el aumento global a

nivel mundial en temperatura bajo el nivel crítico de 2°C,

varios expertos internacionales en ambiente y energía se

dieron cita en la cumbre de cambio climático COP21 en

París en diciembre de 2015 han reclamado que la energía de

fuentes renovables puede jugar un papel esencial en la

mejora de la calidad del ambiente y reduciendo los efectos

del cambio climático en la naturaleza. Por consiguiente,

varios esfuerzos multilaterales en favor de desarrollo de

fuentes de energía renovables han sido desarrollados en los

últimos años [1]. Por otro lado, las bajas temperaturas es un

problema que ha enfrentado el ser humano a lo largo de su

existencia, lo cual lo ha llevado a desarrollar prendas que le

permitan conservar el calor de su cuerpo. Entre estas prendas

se encuentra el calzado, del cual aparte de desarrollar tela

que permita conservar una temperatura confortable en los

pies, se han desarrollado varios sistemas o dispositivos que

generan energía a partir del movimiento al caminar y por

medio de esta energía generan calor creando así una

temperatura de confort dentro del calzado a bajas

temperaturas.

Los sistemas de recolección de energía pueden adquirir

energía del ambiente y convertirla en electricidad.

Diferentes energías, como es la solar, térmica, flujo de

viento/aire, variación de presión, energía mecánica o de

vibración, pueden ser recolectadas, la energía de vibración

es la mayormente estudiada y utilizada. Para pequeñas

amplitudes de vibración, los dispositivos piezoeléctricos son

usualmente empleados. Sin embargo, para largas amplitudes

de vibración, los dispositivos electromagnéticos oscilantes

en miniatura los cuales tienen un mecanismo similar al de

un generador lineal son más adecuados. Por ejemplo, los

autores Ding Han y Ville Kaajakari (2009), presentan un

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

Angélica Arreguín Hernándeza, Raúl Lesso Arroyo

Tecnológico Nacional de México/ Institito Tecnológico de Celaya, Antonio García Cubas Pte. esq. Avenida Tecnológico, CP 38010, Celaya, Guanajuato, México

*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: [email protected]

ISSN 2448-5551 DM 37 Derechos Reservados © 2018, SOMIM

generador de energía para zapatos basado en un transductor

de polímero piezoeléctrico microestructurado. Las

propiedades del transductor coinciden con el llenado regular

del zapato y está diseñado para aprovechar la energía de la

marcha humana sin afectar la marcha del usuario. Todo el

sistema de generación de energía está integrado en el talón

del zapato, tiene una gran potencia de salida (4 mW de

potencia bruta, 2,6 mW de potencia regulada por zapata) y

es pequeño, suave, liviano, duradero y de bajo costo. [2]

Por otro lado J. G. Rocha et al., (2010). Describen el uso

de polímeros piezoeléctricos para recolectar energía de las

personas que caminan y la fabricación de un zapato capaz de

generar y acumular la energía. En este ámbito, el fluoruro de

β-polivinilideno electroactivo utilizado como elemento de

recolección de energía se introdujo en una suela bicolor

preparada por inyección, junto con la electrónica necesaria

para aumentar la transferencia de energía y la eficiencia de

almacenamiento. También se incluyó un generador

electrostático para aumentar la recolección de energía. [3]

Existen otras formas o sistemas para generar y recolectar

energía del movimiento del cuerpo humano a través de la

presión plantar [4]. El sistema es instalado en las suelas

donde, durante la caminata y/o al correr, la fuerza es ejercida

permite generar la energía que el sistema va almacenando.

Lo anterior puede permitir tener más de 67 Watts (W) por el

ciclo de la caminata, ya que están disponibles en los golpes

del talón durante una caminata energética. Entre algunos de

los dispositivos para calentar zapatos que se han

desarrollado se encuentran los siguientes.

Jian Xin Shen et al., (2013), desarrollaron un prototipo

de un generador tubular lineal. Se utiliza para un sistema

de recolección de energía equipado con un calzado,

recogiendo energía del movimiento hacia adelante

durante una caminata. Se estudió la configuración del

generador y se detalla la optimización geométrica por

análisis de elementos finitos. El prototipo desarrollado se

muestra en la figura 1. [4]

Figura 1 – Prototipo de Jian-Xin Shen et al.

Wen Jinchuan (2015), cada zapato comprende un

empeine, una parte superior, una suela, un panel de

control, una hoja de calefacción eléctrica y un conector;

el panel de control está dispuesto en un bolsillo interior

de la parte superior, y está conectado, respectivamente,

con la hoja de calentamiento eléctrico y el conector

mediante un cable; cada zapato se caracteriza porque

tiene un panel, de la conducción de calor, de plástico

altamente resistente a los impactos que está dispuesto en

la suela, y la lámina de calefacción eléctrica está

incrustada en una ranura del panel de la conducción de

calor, y el panel está hecho de policaprolactama,

conductora térmica de plástico aislante altamente

resistente al impacto y tiene propiedades conductoras y

aislantes térmicas. Figura 2. [5]

Figura 2 - Calzado propuesto por Wen Jinchuan.

Mattew James Stanton et al. (2015), el invento es un

mecanismo para recolectar energía del impacto del talón

con el suelo cuando camina, corre, etc. La placa del talón

se mueve hacia abajo, comprimiendo los muelles de

apoyo, mientras un sistema de empuje incrementa la

magnitud del desplazamiento, y gira un brazo de palanca,

causando rotación del generador. La cadena de

engranajes incrementa este desplazamiento, para

incrementar la energía producida por el generador

eléctrico mientras rota. La potencia generada es

almacenada en una pequeña y eficiente celda recargable.

Esta batería después recarga lo que el usuario conecte en

este dispositivo (Figura 3). [5]

Figura 3 – Sistema propuesto por Mattew James Stanton et al.

Georgii Ignatchenko et al. (2016). Muestran un sistema

hidráulico para poder recolectar energía generada

pulsando un pie sobre una superficie y proporcionar un



cojín para el impacto. En ciertos aspectos, un sistema

hidráulico para un calzado puede comprender al menos

una cámara con un primer y segundo compartimentos

separados por una membrana elástica. El primer

compartimento se puede llenar con gas y el segundo

compartimiento se puede llenar con líquido. El gas puede

proporcionar amortiguador de impacto y de

almacenamiento de energía transitoria y el líquido puede

ser presionado para empujar un generador para producir

energía. La presión puede generarse presionando el

calzado sobre una superficie y/o la membrana elástica de

la cámara intentará restaurar su forma. Ver figura 4. [6]

Figura 4 - Sistema propuesto por Georgii Ignatchenko et al.

Como ya se describió la mayoría de los sistemas ya

existentes presentan el uso de material piezoeléctrico o

incluso el uso de algunas baterías. Sin embargo, uno de los

propósitos del presente trabajo es el uso de energías

renovables, así como que la generación de energía sea por la

circulación de un fluido mediante una turbina. Por lo cual el

sistema propuesto que se expone es un sistema que se basa

en estos aspectos. Para ello Arreguín et al [7], realizaron el

estudio de cuál sería la potencia mínima requerida para

mantener la temperatura al interior del calzado. Lo anterior

es importante porque el calzado a considerar en el presente

trabajo está planteado para ser utilizado en lugares con clima

extremadamente bajo entre los cuales se encuentra con días

de frío (entre -30° y -25°C) y temperaturas extremamente

frías (-30°C y menores). [8]

1.1 Características y ventajas de la marcha humana

Durante la marcha humana, hay un golpe periódico entre el

talón y el suelo. La fuerza de impacto del pie alcanza dos

veces el peso corporal de una persona. El desplazamiento del

talón en la dirección vertical durante la marcha depende de

las propiedades físicas. Para una zapatilla de corredor

acolchada, el desplazamiento vertical del golpe del pie es

aproximadamente de 0.01 m. La potencia disponible para

recolectar depende de la fuerza de impacto y el

desplazamiento vertical del golpe del pie, así como de la

frecuencia de marcha. Por ejemplo, un hombre de 68 kg

caminando a dos pasos por segundo, la mínima potencia

disponible para obtener es aproximadamente 13.3W [9]. Se

puede observar que hay una energía mecánica considerable

del movimiento del golpe del pie disponible para recolectar.

Por lo tanto, durante un ciclo de paso en la caminata, el golpe

del talón y la separación del dedo del suelo son repetidos por

cada pie, y esto puede ser usado para manejar la generación

de energía [10].

Se tienen diferentes presiones ejercidas por el pie durante

la marcha, dependiendo de la región del pie entre las cuales

se encuentran el retropié, mediopié y antepié. Las presiones

obtenidas al caminar, con una muestra de 46 personas (23

hombres y 23 mujeres), con edad media de 30 años, un rango

de 18 a 55 años y peso medio de 70,7 kg, con rango de 52 a

109 kg; se muestran en la tabla 1. Tomando en cuenta que el

tiempo de apoyo que tiene el pie con el suelo es de 0.81s.

[11]

Tabla 1 - Presiones ejercidas por el pie.

Región Pico de presión máxima

(kPa)

Presión media

(kPa)

Retropié 275 253

Mediopié 400 65

Antepíe 1240 220

2. Sistema propuesto

El sistema propuesto para la generación de energía consta de

dos cámaras o contenedores de fluido colocados en el

antepié y retropié, estas cámaras están hechas de caucho, se

escogió un material flexible ya que al momento de que una

persona camina la cámara se deforma haciendo circular el

fluido y a su vez haciendo la función de amortiguador. Cada

cámara cuenta con dos salidas las cuales están ocupadas por

conductos que dirigen el fluido hacia la turbina. El sistema

propuesto se muestra en la figura 5.

Figura 5 – Sistema propuesto.

2.1 Análisis CFD en el sistema propuesto

Debido a que el modelo no es muy complejo, se usó una

herramienta computacional que tiene como base el método

de volumen finito (CFD) para obtener el cálculo de las

velocidades de entrada y las velocidades de salida, para el

cual se usó como volumen de control el modelo que se

muestra en la figura 6, para representar el fluido al interior

del sistema.



Figura 6 – Modelo y volumen de control del fluido al interior del

sistema.

Las condiciones de frontera usadas en el análisis fueron

la presión en el antepié y retropié, temperatura del fluido y

paredes, salida del fluido por la parte inferior de la carcasa,

paredes sin deslizamiento. La localización de las entradas,

salidas y el mallado utilizado para la simulación se observan

en la figura 7. El análisis de CFD realizado fue en estado

estable con efectos de temperatura (Thermal energy),

considerando efectos de turbulencia con algoritmo de

formulación k-ε por los cambios de sección del volumen de

control. [12]

Figura 7 – Mallado, entradas y salidas.

Por las condiciones a las que son expuestos los calzados

de zonas altamente frías, para la simulación se estableció

trabajar con las combinaciones de condiciones que se

muestran en la tabla 2.

Tabla 2 - Condiciones de frontera

Simulación

Presión

antepié

(kPa)

Presión

retropié

(kPa)

Temperatura

del fluido

(°C)

Temperatura

de las paredes

(°C)

1 0 253 25 25

2 220 0 25 25

3 25.3 (10%)

227.7 (90%) 25 25

4 50.6 (20%)

202.4 (80%) 25 25

5* 0 253 20 - 30

*Caso de estudio considerando la temperatura del fluido y en paredes externas del

volumen de control.

Para esta primera etapa de análisis y desarrollo del

prototipo, no se consideró de manera importante todas las

posibles patologías que presentarían algunos futuros

usuarios del calzado, es decir, las personas que puedan

presentar casos de Genu varo (Valgum o Varum). Lo

anterior desde el punto de vista Biomecánico, está

demostrado que se afectarían las presiones plantares. Esto

debido a que variarían las fuerzas sobre la planta del pie,

porque las patologías, presentan grados de desalineación del

pie respecto a la vertical (algunos casos hasta 6°) y los

niveles de presión variarían dependiendo de cada patología

que presenta la persona que usaría el calzado, ver figura 8.

En el presenta trabajo se aplicaron presiones plantares en

retropié y/o antepié con sus valores totales, además para

estas mismas zonas se aplicó reducción de presión en

porcentajes para los casos 3 y 4 de las simulaciones (para

considerar usuarios que tendrían alguna desalineación de

valgum y varum), [13].

Figura 8 – Patología del ángulo genu varu(valgum y varum).

Para el volumen de control se generaron varias mallas y

se puntualizó en refinar la zona de las tuberías por el cambio

fuerte de sección entre cámaras y tubería (2mm de tamaño

de elemento). La malla o discretizado final se muestra en la

figura 7, donde los nodos y elementos utilizados para la

solución del modelo fueron un total de 50369 nodos y

193,380 elementos de los cuales se obtuvo las líneas de

corriente o flujo del sistema. Se establecieron 100

iteraciones de equilibrio para la solución del problema y su

criterio de convergencia y para las velocidades, presiones y

energía interna fue RMS de 1e-4, [14].

2.2 Propiedades del fluido usado

El fluido utilizado para en análisis CFD fue Etilenglicol

con agua con una concentración del 50% de cada uno. Las

propiedades de dicho fluido están dadas en la tabla 3.

Tabla 3 - Propiedades del Etilenglicol-agua 50%

Propiedad Valor

Conductividad térmica (W/m K) 0.43



Calor específico (J/kg K) 3297.63

Viscosidad dinámica (Pa s) 0.003367

Densidad (kg/m3) 1053.25

Número de Prandtl 25.82

2.3 Análisis teórico velocidades de salida de los conductos

El modelo utilizado para el cálculo de las velocidades de

salida de los conductos, que son igual a las velocidades de

entrada a la turbina, es el modelo que presenta la figura 9, el

cual es usado tanto para retropié como antepié.

Figura 9 – Esquema de cámara y conductos.

Mediante las ecuaciones (1) y (2) se describe la ecuación

general de la energía expresada en términos de cargas, con

balance realizado del punto 1 al 2 y del 2 al 3. [13]

ltB llzgvPlzgvP 2

2

221

2

112

1

2

1

(1)

ltB llzgvPlzgvP 3

2

332

2

222

1

2

1

(2)

Donde 𝑃 es la presión en el punto indicado, la densidad

del fluido utilizado está dada por 𝜌, 𝑣 es la velocidad del

fluido en cada punto, 𝑧 es la altura a la que se encuentra el

punto respecto al sistema de referencia, 𝑙𝐵 es la carga

entregada al fluido por la bomba la cual no hay, 𝑙𝑡 es la carga

que extrae la turbina del fluido que tampoco se encuentra en

el sistema, g es la gravedad y 𝑙𝑙 es la perdida de carga debido

a los componentes del sistema de tuberías, la cual esta

descrita por la ecuación (3).

2

2

prom

l

v

d

Lfl

(3)

Donde 𝐿 es la longitud de la tubería, 𝑑 el diámetro,

𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚 es la velocidad del flujo promedio y 𝑓 el factor de

fricción definido por las ecuaciones (4) y (5) para flujo

laminar y turbulento respectivamente.

promdvf

64 (4)

11.1

7.3Re

9.6log8.1

1

d

f

(5)

De las ecuaciones anteriores 𝜇 representa la viscosidad

dinámica del fluido, 𝜀 la rugosidad de la tubería y Re el

número adimensional de Reynolds descrito por la ecuación

(6).

dvpromRe (6)

Se obtuvo la relación de velocidades mediante la

igualación del flujo de entrada y salida, el esquema utilizado

para este balance se muestra en la figura 10.

Figura 10 – Esquema de flujos de entrada y salida.

El flujo está definido por la ecuación (7).

33221121 22 vAvAvAVVV ssE (7)

Del cual �̇�𝐸 es el flujo de entrada, �̇�𝑠1 y �̇�𝑠2 son el flujo

de salida 1 y 2 respectivamente, 𝐴1, 𝐴2 y 𝐴3 son las áreas en

el punto 1 ,2 y 3. Despejando 𝑃2 de (1) y (2), igualando y

sustituyendo con las ecuaciones (3) y (7) se tiene la

velocidad de salida del conducto dada por la ecuación (8).



3

2

1

3

113

214

2

d

lf

A

A

Pzgv

(8)

Los datos que se utilizaron para el cálculo de la velocidad

de salida de los conductos se presentan en la tabla 4.

Tabla 4 - Datos utilizados para el cálculo de velocidades de salida.

Parámetro Valor

Diámetro del conducto, d3, (m) 0.003

Densidad del etilenglicol-agua 50%, ρ, (kg/m3) 1053.25

Densidad del agua, ρ, (kg/m3) 997

Presión de entrada retropié, P1, (kPa) 253

Presión de entrada antepié, P2, (kPa) 220

Altura de la entrada, Z1, (m) 0.015

Área de entrada, A1, (m2) 0.0055854

Viscosidad dinámica del etilenglicol, μe, (Pa.s) 0.003367

Viscosidad dinámica del agua, μH2O,(Pa.s) 1

Longitud del conducto 1, l1, (m) 0.049




El cálculo analítico se realizó para cada conducto

independiente, tomando en cuenta la presión ejercida por el

retropié para los conductos conectados a la cámara del

retropié y la presión del antepié para los conductos

conectados a la cámara del antepié. En la figura 11 se

muestra la numeración de los conductos, tanto los que esta

conectados a la cámara del retropié como los que están a la

del antepié.

Figura 1 – Numeración de los conductos.

Posteriormente, se presentan los resultados de las

velocidades de salida obtenidas de la ecuación (8) y se

comparan con los resultados del análisis de CFD.

3. Prototipo

Las cámaras del prototipo se fabricaron de caucho

obteniendo la forma más parecida a la propuesta. La figura

12 muestra las cámaras de caucho del retropié y antepié

respectivamente.

Figura 12 – Cámaras de caucho.

La turbina y la carcasa se obtuvieron mediante impresión

3D para facilitar su fabricación, esto para para hacer pruebas

con el prototipo. Las cuales se observan en la figura 13.

Figura 13 – Turbina y carcasa.

La turbina es protegida por la carcasa que a su vez está

conectada al motor que produce la energía, al igual que está

conectada a los conductos por donde circula el fluido de la

cámara. El prototipo del sistema completo se muestra en la

figura 14.

Figura 14 – Sistema completo.

3.1 Pruebas del prototipo



Para llevar a cabo las pruebas del prototipo fue necesario

considerar algunas variables que afectan el desempeño del

dispositivo, como son el peso del usuario, presión aplicada,

zona de antepié y retropié, velocidad de salida en los

conductos y en la llegada de la turbina, fuerza generada en

las paredes de la turbina, así como la velocidad de giro de la

turbina, y finalmente la potencia generada por el generador.

Para estas variables sería importante que ser monitoreadas

durante la prueba del prototipo, pero eso implicaría

desarrollar un prototipo con medidores de presión,

medidores de flujo, el uso de membranas en las cámaras para

la medir presión plantar, tacómetro para saber el giro de la

turbina, etc. Por lo cual para esta primera etapa solo se

aplicaron presiones plantares en retropié y antepié y algunos

casos de desalineación de varum o valgum. Se midió el

voltaje entregado por el generador para que a través de la

resistencia del mismo medir la potencia con la ecuación (9).

R

VP

2

(9)

Donde 𝑃 es la potencia obtenida, 𝑉 es el voltaje que

entrega la medición y 𝑅 la resistencia en el generador.

Las pruebas del prototipo fueron realizadas mediante una

carga estática suponiendo todo el peso de la persona en el

área del retropié para poder generar la presión en el retropié

de 253 kPa, de las cuales se obtuvo el voltaje generado. La

figura 15 muestra el método en que se realizaron las pruebas,

en el cual se utilizó una base de madera para colocar el peso,

y la medición se obtuvo mediante un multímetro. Así mismo

se aplicó el peso correspondiente en el antepié o en su caso

en ambas zonas.

Figura 15 – Pruebas del prototipo.

4. Resultados

4.1 Resultados de la simulación

Las simulaciones CFD dieron como resultado las

velocidades de salida de los conductos ubicados en la parte

del retropié como se observa en las líneas de flujo que

muestra la figura 16.

Figura 16 – Líneas de flujo (m/s).

Los valores de las velocidades de salida en los conductos

y de las presiones ejercidos sobre los álabes fueron

obtenidos mediante un plano localizado a la salida de los

conductos como se muestra en la figura 17.

Figura 17 – Plano con perfil de velocidades (m/s).

Las velocidades y presiones que están en contacto con el

fluido que entra a la turbina obtenidas por simulación, se

muestran en la tabla 5.

Tabla 5- Resultados de la simulación CFD.

Simulación Vel.

C1

(m/s)

Vel.

C2

(m/s)

Vel.

C3

(m/s)

Vel.

C4

(m/s)

Presión

1

(kPa)

Presión

2

(kPa)

1 (Caso retropié) / / 9 8.5 162 176

2 (Caso antepié) 9 9.5 / / 148 130

3 (Caso retropié

+ % de presión)

/ / 8 7.5 90 158

4 (Caso retropié

+ % de presión)

/ / 7.5 8 130 140

5 (Caso retropié

+ temperatura)

/ / 10 8 162 176

Las variables C1… C4 son las velocidades de los

conductos de la figura 11. Las presiones 1 y 2 representan el



resultado en las caras de los álabes de la turbina como se

muestra en la figura 18.

Figura 18 – Presiones ejercidas en los álabes.

4.2 Resultados del análisis teórico

Por otro lado, la tabla 6 muestra las velocidades calculadas

analíticamente a partir de la ecuación (8), cabe resaltar el

caso de estudio 5 no fue necesario realizar analíticamente,

porque al resolver el caso de simulación para ver el efecto

de la temperatura en las paredes externas, los resultados de

las velocidades fueron muy similares (variación de 0.5m/s),

que el caso sin considerar la temperatura (caso 1); además

de que las presiones fueron las mismas.

Tabla 6- Resultados del cálculo analítico.

Simulación Velocidad de salida (m/s)

Conducto 1 2 3 4

1 (Caso retropié) / / 7.253 7.728

2 (Caso antepié) 6.408 7.222 / /

3 (Caso retropié + % de presión) / / 6.865 7.317

4 (Caso retropié + % de presión) / / 6.456 6.883

Con los valores obtenidos se hizo una comparación, la

cual tiene como resultado los valores presentados en la tabla

7. El objetivo de comparar por dos métodos es para tener un

sustento analítico del análisis de fluidos realizado en el

presente trabajo. Además, se optó por tomar los resultados

del análisis de CFD, porque se tienen las presiones e incluso

otros parámetros como la temperatura en el fluido, caídas de

presión, etc.

Tabla 7 – Diferencias de velocidades entre simulación y analítico.

Simulación C1 (%) C2 (%) C3 (%) C4 (%)

1 / / 19.4% 9%

2 28% 23% / /

3 / / 14.1% 2.4%

4 / / 13% 13.9%

Como se puede observar en la tabla 7, los porcentajes de

error entre la simulación vs analítico son un poco altos para

algunos casos, porque los resultados de la simulación CFD

consideran varios aspectos por ejemplo el fluido se

representa en el interior del sistema (volumen de control),

tanto en ambas cámaras como en la turbina, así como la

transferencia de masa y momentum, porque se consideran

los efectos de turbulencia que se tendrían por los cambios de

sección en el sistema. Mientras que el cálculo analítico

considera que el fluido sale libremente en la salida del

conducto. Por ello esta comparación solo es para ver las

variaciones entre lo analítico y la simulación.

4.3 Resultados de las pruebas del prototipo

Los voltajes obtenidos por las pruebas en el prototipo se

muestran en la tabla 8. Aquí podemos observar que el valor

promedio fue de 1.215V, lo cual equivale a una potencia de

2.92W, quedando por debajo de los 5W requeridos para

calentar el calzado. Un aspecto importante es que se logró

tener un prototipo que puede generar energía alterna.

Tabla 8- Resultados de las pruebas del prototipo.

Prueba Voltaje (V)

1 1.298

2 0.988

3 1.281

4 1.294

5. Conclusión

Los valores obtenidos de la simulación para los casos 1 al 5

no presentan una gran variación, en promedio se tiene una

velocidad del fluido que llega a las paredes de la turbina de

8.3 m/s, a pesar de que se tiene variación en las entradas de

presión. La simulación 1 y 5 tienen una presión de 253 kPa

de entrada en el retropié con diferentes temperaturas en el

fluido y las paredes, estas simulaciones presentan una

diferencia de 10% de error en la velocidad del conducto 3,

6.25% en la velocidad del conducto 4 y la presión en los

álabes es la misma, por lo tanto, la temperatura no tiene

mucha influencia sobre el análisis y este resultado no fue

necesario generarlo analíticamente, por ello en la tabla 6

solo se presentan los 4 casos analizados.

Se obtuvo una variación significativa entre el resultado

de CFD y el analítico, el promedio de error fue del 15%, lo

cual puede ser que el método analítico, no se consideró el

cambio de sección y los conductos se supusieron como

conductos rectos. Además, en el análisis de CFD, el fluido

simulado abarcaba ambas cámaras del sistema y el interior

de la turbina y la salida. También en la simulación se

consideró la parte inferior de la turbina mientras que en el

cálculo analítico solo se consideró una cámara y la salida del

fluido está localizada al final de los conductos.



Las pruebas realizadas en el prototipo generaron un voltaje

no suficiente de acuerdo a lo reportado en la tabla 8, esto

debido a algunos aspectos importantes que se identificaron

durante las pruebas, el primero es que se aplica una carga

estática de 70kg y durante el ciclo de la caminata se tienen

efectos de impacto de hasta 2 o 3 veces el peso de la persona.

Lo anterior da la posibilidad de tener fuerzas mayores por

ende la obtención de voltajes mayores, como ya se comentó

en el apartado 5.3. El segundo aspecto fue que al aplicar la

carga en la prueba 4 se detectaron problemas de fugas en uno

de los ductos; además de que fabricar las cámaras genero un

alto grado de complejidad ya que no pudieron fabricarse de

una sola pieza lo cual produjo que no fueran 100% flexibles.

Finalmente se puede comentar que el prototipo es

funcional y con acciones que se están implementando se

mejorará su eficiencia, para lograr tener la potencia

necesaria para calentar el calzado. Entre las cuales es

cambiar el generador por otro que entregue mayor corriente

(usar ahora un motor de 24 V), ya se buscó un método de

vulcanizado para fabricar las cámaras a través de 2 piezas y

que serán más flexibles. También ya se resolvió el problema

del sellado de ductos para evitar fugas cuando se aplique el

peso máximo.

Como trabajo futuro en una segunda etapa se

implementará un sistema que simule el ciclo de la caminata,

donde se obtendrán las presiones reales y continúas y se

obtendría la potencia que generará el prototipo.

REFERENCIAS

[1] Montassar Kahia et al., Renewable and non-renewable energy use – economic growth nexus: The case of MENA Net Oil Importing Countries, Renewable and Sustainable Energy Reviewsz (2017), vol. (71).

[2] H. Ding, K. Ville, Microstructured polymer for shoe power generation, IEEE (2009).

[3] J. G. Rocha et al., Energy harvesting from piezoelectric materials fully integrated in footwear, IEEE Transactions on industrial electronics (2010), vol. (57).

[4] Jian-Xin Shen et al., A Shoe-Equipped Linear Generator for Energy Harvesting, IEEE Transsactions on industry applications (2013), vol. (49).

[5] Base de datos Oficina de Patentes de los Estados Unidos (en línea), dirección de internet: http://patft.uspto.gov

[6] Base de datos Oficina Europea de Patentes (en línea), dirección de internet: http://ep.espacenet.com

[7] A. Arreguín, R. Lesso, M. Medina, Estimación estadística de la potencia mínima requerida para sostener la temperatura al interior del calzado, Journal electrónica, CIM, Coloquio de Investigación Multidisciplinaria (2017), Orizaba Mex.

[8] M. Buchwitz, M Reuter, et al. The Greenhouse Gas Climate Change Initiative (GHG-CCI): Comparison and quality assessment of near-surface-sensitive satellite-derived CO2 and CH4 global data sets, Remote Sensing of Environment, vol. (162), pp. 334-362, 2015.

[9] Andrea Gatto et al., Energy Harvesting system for Smart Shoes, IEEE/ASME 10th International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications (MESA) (2014), pages 1-6.

[10] Xie L. et al, An in-shoe harvester with motion magnification for scavenging energy from human foot strike, IEEE/ASME Transsactions on mechatronics (2015), Vol. (20).

[11] Martínez A. et al., estudio baropodométrico de los valores de presión plantar en pies no patológicos, ELSEVIER, rehabilitación (2007), pp. 155-60.

[12] ANSYS INC. CFX documentation, (CFX-Solver modeling guía, & CFX-Solver theory guía). Ansys help online, PA USA, 2017.

[13] Kapandji A. I. Fisiología Articular, Tomo II, 5ta Edición, México 1997, Páginas 74-157.

[14] Yunus A. et al, Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones, Mc Graw Hill, 1ra edición, 2006.



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