UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA CURRICULAR DE INGENIERA: ELECTRNICA

FORMATO PARA PRESENTACIN DE PROPUESTAS

1. PROPONENTES:

Nombre: Nstor Orlando Romero Arismendi Cdigo:.261930

2. TTULO:

OPTIMIZACIN DE UN SISTEMA DE TRANSMISIN INALMBRICA DE

ENERGA DC DE BAJA POTENCIA.

3. REA:

Lneas y antenas

4. LNEA DE INVESTIGACIN:

Campos electromagnticos.

5. JUSTIFICACIN Y ANTECEDENTES :

La electricidad es actualmente una de las fuentes de energa mas ms utilizadas en todo

el mundo, con un porcentaje de cobertura cercano al 80% en el ao 2011 [1] [2].

mientras, eEl porcentaje de interconexin local es del 87%, compuesto por un 93% (urbana), y 55% (rural) [3]. La transmisin de energa se realiza por medio de lneas transmisin de mayora cobre y aluminio, lo cual impide la interconexin a los lugares que cuenten con una con una geografa complicada; una propuesta de mejoramiento a este tipo de transmisin

inicio mediante la idea del ingeniero, fsico e inventor Nikola tTesla (1856, -1943), de transmisin inalmbrica, la cual fue demostrada por estequien la demostr en el ao de

1881, utilizando un modelo basado en induccin magntica por medio de bobinas; este

proyecto, el cual fue culminando truncado por falta de fondos en 1927. En la actualidad,

debido al incremento de los costos y las perdidas en la transmisin y distribucin de

energa elctrica, las cuales en su mayora es porson debidas al calentamiento de los

conductores, (alrededor del 26 %; %), se han incrementado las investigaciones para

encontrar nuevos vehculos para dicha transmisin, retomando las investigaciones y

desarrollos de Tesla [4].

Ilustracin 1. Acople inductivo tomado de [5].

La transmisin inalmbrica de energa, gracias a este auge de investigacin que se ha

tenido, se han venido desarrollando diseos, simulaciones e implementacin de sistemas

de transmisin a nivel mundial, los tres mtodos principales en los cuales se puede

realizar la transmisin son: acoplamiento inductivo, el cual consiste en el acople

resonante entre los campos de dos circuitos LC, a la misma frecuencia de resonancia ,

acoplamiento resonante y transmisin de radio frecuencia, cada uno con sus diferentes

limitaciones, obteniendo la mayor eficiencia para el mtodo de acople con inductancias,

pero a su vesz, un bajo rango de distancia para la transmisin [5]; en simulaciones

realizadas en el instituto de tecnologa de Harbin, China, se ha logrado obtener por este

mtodo eficiencias mayores al 60% y distancias de transmisin de mas de un metro [6],

aunque, se han realizado varias simulaciones los resultados experimentales son

prometedores. En el mbito local se realizo una tesis de grado den el departamento de

iIngeniera eElctrica y eElectrnica de la Universidad Nacional de Colombia, sede

Bogot, [7]. en DDicho proyecto se logro una eficiencia relativamente baja, dejando

abierto para continuar con desarrollos de nuevos proyectos en esta reaenfoc

principalmente en desarrollar un primer prototipo que demostrara el principio de

funcionamiento de los sistemas de transferencia inalmbrica de energa, permitiendo la

transferencia de cerca de 1W a distancias de algunos centmetros; como una de las

conclusiones de dicho proyecto se tiene la posibilidad de optimizar el diseo

electromagntico, el acople de carga para mxima transferencia de potencia entre los

mdulos y la eficiencia de los mdulos electrnicos de potencia que permitan desarrollar

un prototipo ms prctico..

6. FORMULACIN DEL PROBLEMA

En el sector urbano, especialmente en las zonas residenciales, la mayor parte de energa

elctrica se utiliza en aparatos electrnicos de baja potencia (Televisores, Celulares,

computadores etc...), los cuales funcionan mediante el aprovechamiento de la energa

DC. La transmisin de esta energa se realiza por medio del cableado elctrico, que como

se menciono anteriormente, cuenta con perdidas prdidas por calentamiento de los

conductores. Con la nueva era de los dispositivos porttiles, pierden su filosofa al tener

la necesidad de conectarse por medio cableado para cargar sus bateras, por lo cual se ha

expandido la idea de un solo punto de conexin, que supla las demandas energticas de

los dispositivos al interior del hogar transmitiendo por medio inalmbrico la potencia a

estos [8].

Commented [j1]: Revisar redaccin, el texto est desarticulado

Commented [j2]: No es claro

Commented [j3]: Aqu y en los antecedentes aparentemente se muestra la WPT (Wireless power transmission) como solucin a las prdidas hmicas en los cables de transmisin, sin embargo esto no es as, WPT siempre ser menos eficiente que el cable, as que hay que evitar que el texto de a entender esto. WPT es una tecnologa complementaria, apta solamente para el segmento final de distribucin de la red.

Ilustracin 2. Sistema de transmisin inalmbrica de potencia al interior de los hogares. Tomado de [8]

Ilustracin 3. Sistema de transporte basado en transmisin inalmbrica de energa. Tomado de [9]

El mismo problema de perdida de movilidad, lo encontramos en los robots actuales,

quienes se ven en la necesidad de conectarse por medio de cable para obtener la energa

para su funcionamiento, este proceso, adems de alargar el tiempo de desarrollo en la

actividad del robot, pierde autonoma, por eso se hace importante el implementar un

mtodo de carga de sus bateras por medio inalmbrico, permitiendo que el robot realice

sus actividades sin interrupciones por baja carga [10], por otro lado, el aprovechamiento

de la transmisin inalmbrica de energa, se encuentra en el desarrollo de nuevos

modelos de transporte, brindado la posibilidad a los vehculos elctricos que obtengan su

energa sin la necesidad de ser cableada, adems de obtenerla mientras se encuentran en

movimiento [9]

7. OBJETIVOS

7.1. OBJETIVO GENERAL

Disear e implementar un sistema de transmisin inalmbrica de energa, optimizando o

rediseando los sistemas ya implementados en el trabajo de grado [7], del departamento

de Ingeniera Elctrica y Electrnica de la Universidad Nacional de Colombia, sede

Bogot.

7.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

Evaluar los desarrollos, tecnologas e implementaciones que podran ser usadas en el desarrollo del proyecto.

Optimizar los sistemas que lo requieran de los trabajos anteriormente realizados.

Redisear los componentes y sistemas que lo requieran de los trabajos anteriormente realizados.

Optimizar el acople magntico para transmisin inalmbrica de energa, bien sea rediseando o mejorando los componentes, sistemas y parmetros anteriormente

utilizados.

Realizar pruebas de eficiencia para la transmisin inalmbrica de energa, comparndolas con los desarrollos actualmente encontrados.

8. ALCANCES DE LOS OBJETIVOS

La implementacin de un sistema de transmisin inalmbrica de potencia, el cual logre

tener una eficiencia y distancia de operacin lo mas altas posibles, esta se realizara por

medio de acople de tanques resonantes, compuestos por un circuito LC a una frecuencia

de resonancia optima para esta transmisin. Se obtendr una potencia de salida minima

de 1W, considerando que este es el consumo promedio de la mayora de los dispositivos

electrnicos de baja potencia (cargadores de celulares), este dispositivo no se conectara

directamente a ala red elctrica, si no que utilizara osciladores a la frecuencia

determinada, y generar la potencia de salida al tanque por medio de amplificadores.

9. METODOLOGA

Para el desarrollo de este proyecto se utilizar una metodologa por medio de fases, la

cualque comprende contiene las 4 fases que se enumerandescritas a continuacin.

*Primera Fase: Esta fase se denominar de exploracin, en la cual revisaremos la

informacin, adelantos y diseos anteriores en el campo de la transmisin inalmbrica de

energa, crear un diagrama de bloques. Encontrar los diferentes modelos, equipos,

sistemas, parmetros y componentes utilizados anteriormente, y evaluar cuales pueden

ser incorporados al diagrama, cuales se pueden optimizar o redisear y cuales disear.

*Segunda Fase: En eEsta fase, que llevar el nombre de desarrollo y simulacin,

consiste en realizar la optimizacin o rediseo de los sistemas y modelos de los bloques,

adems de la seleccin de los parmetros y componentes a utilizar y sus correspondientes

simulaciones para conocer el comportamiento del primer prototipo de sistema de

transmisin inalmbrica, con el fin corregir y mejorar las fallas existentes.

*Tercera fase: Con esta fase que lleva como ttulo ejecucin y correccin, se har la

implementacin del prototipo diseado en la etapa anterior y se medir su

comportamiento real, de no ser los resultados esperados, se podr devolver a la fase 2.

Commented [j4]: Estos objetivos especficos se sobreponen de alguna manera, ver mi comentario arriba sobre el trabajo precedente para los aspectos que se van a optimizar, esto reemplazara los objetivos 2-4 listados aqu.

Commented [j5]: Revisar redaccin aqu. Adems de esto, hay que sugerir una eficiencia de operacin, creo que podramos pensar en obtener un 50% para cortas distancias (digamos 2cm, que son las que se usaran en la prctica, p.ej. cuando se pone el celular sobre una mesa con transmisor WPT). En la actualidad las eficiencias globales ms altas que he visto son de alrededor de 80%, as que es un alcance razonable e interesante. Finalmente, decir que se requiere un voltaje de salida constante de 5V en un rango de distancias hasta 5cm.

*Cuarta fase: Despus de haber realizado satisfactoriamente cada una de las anteriores

fases se procede a la ejecucin de la ltima la cual denominaremos evaluacin y

resultados, en esta fase se culmina el proyecto y se realiza las evaluaciones del trabajo

hecho, de las consecuencias tanto positivas y negativas, y se dar un diagnstico de los

resultados obtenidos.

10. SECUENCIA Y TIPO DE ACTIVIDADES QUE SE DESARROLLARN

FASE 1 Estado del arte de los desarrollos e investigaciones que se han producido

en torno a la transmisin inalmbrica de energa.

Evaluacin los componentes, parmetros, modelos y sistema, utilizados en los anteriores desarrollos, con el fin de determinar cuales de estos se

pueden acoplar al proyecto.

Determinacin de los parmetros fijos del sistema ya sea frecuencia de operacin, inductancias o potencias de entrada y sobre las cuales se

empezara basar el diseo.

Determinacin de los modelos y sistemas y tcnicas a optimizar. Determinacin de los modelos y sistemas a redisear, ya sea mediante el

cambio de componentes o mediante el cambio comportamental de esteos

requerimientos para el dispositivo optimizado a nivel de arquitectura y/o

componentes.

FASE2 Definicin de los requerimientos bsicos comporta mentales y

estructurales del sistema de transmisin.

Diseo uy optimizacin de los tanques resonantes. Diseo uy optimizacin de los acoples de impedancias. Diseo uy optimizacin del circuito de amplificacin para la transmisin

de la energa, ya sea en incluyendo el oscilador y la etapa de potencia o de

oscilacin.

Diseo uy optimizacin del circuito de rectificacin y regulacin y rectificacin del receptor la seal de salida.

Simulacin de los acoples magnticos. Simulacin de la parte electrnica del sistema de transmisin. . Implementacin del primer prototipo.

FASE3 Realizar pruebas al primer prototipo variando la carga del sistema. Realizar pruebas al primer prototipo obteniendo los resultados con

respecto a la distancia de separacin entre los tanquestransmisor y

receptor.

Obtener la eficiencia del primer prototipo. Recolectar la informacin brindada por la las pruebas ejecutadas y

Formatted: Indent: Hanging: 0,63 cm

Formatted: Indent: Hanging: 0,63 cm

Formatted: Indent: Hanging: 0,63 cm

clasificarlas en errores y aciertos.

Redisear el prototipo para corregir los errores y mantener los aciertos. Realizar de nuevo la fase 2, de ser necesaria, para una evaluacin

definitiva.

FASE4 Evaluacin del cumplimento de los objetivos. Presentacin de los resultados y prototipo final .

11. CRONOGRAMA

Semana numero

Actividad 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Fase 1 X X X X

Estado del arte de los desarrollos e

investigaciones que se han producido

en torno a la transmisin inalmbrica

de energa.

X X

Evaluacin los componentes,

parmetros, modelos y sistema,

utilizados en los anteriores desarrollos,

con el fin de determinar cuales de estos

se pueden acoplar al proyecto.

X X

Determinacin de los parmetros fijos

del sistema ya sea frecuencia de

operacin, inductancias o potencias de

entrada y sobre cuales se empezara el

diseo.

X X

Determinacin de los modelos y

sistemas a optimizar. X X

Determinacin de los modelos y

sistemas a redisear, ya sea mediante

el cambio de componentes o mediante

el cambio comportamental de este.

X X

FASE2 X X X X X

Definicin de los requerimientos

bsicos comporta mentales y

estructurales del sistema de

transmisin.

X

Diseo u optimizacin de los tanques

resonantes. X X X

Diseo u optimizacin de los acoples X X X

Formatted: Indent: Hanging: 0,63 cm

Commented [j6]: Modificar de acuerdo con los cambios propuestos en las fases arriba. Los tiempos indicados son razonables.

de impedancias.

Diseo u optimizacin del circuito de

amplificacin para la transmisin de la

energa, ya sea en la etapa de potencia

o de oscilacin.

X X X

Diseo u optimizacin del circuito de

regulacin y rectificacin de la seal

de salida.

X X X

Simulacin de los acoples magnticos. X X X

Simulacin de la parte electrnica del

sistema de transmisin. . X X X

Implementacin del primer prototipo

FASE3 X X X X X X

Realizar pruebas al primer prototipo

variando la carga del sistema. X X X

Realizar pruebas al primer prototipo

obteniendo los resultados con respecto

a la distancia de separacin entre los

tanques.

X X X

Obtener la eficiencia del primer

prototipo X

Recolectar la informacin brindada por

la las pruebas ejecutadas y clasificarlas

en errores y aciertos

X

Redisear el prototipo para corregir los

errores y mantener los aciertos. X X X X

Realizar de nuevo la fase 2, de ser

necesaria, para una evaluacin

definitiva.

X X X X

FASE4 X X

Evaluacin del cumplimento de los

objetivos X

Presentacin de los resultados y

prototipo final X

12. COSTO DEL PROYECTO Y FUENTES DE FINANCIACIN:

materiales Descripcin costos Cantidad total

Electromagntica

Tanques resonantes Circuito LC tanto receptor

como emisor. 10030.000 1 10030.000

Electrnica

Circuito de

amplificacin

Circuito diseado para la

transmisin de potencia 100.000 1 100.000

Circuito de

regulacin y

rectificacin

Circuito de rectificacin y

regulacin de la seal de salida 100.000 1 100.000

Talento humano Horas ingeniero

Tiempo empleado por los

proponentes del proyecto para

el desarrollo de este 10000

288

horas 288.000

Rubros a cargo de la universidad

Talento humano Orientador de trabajo de grado 60.000 64 horas 3.840.000

Equipos Utilizacin de espacios fsicos(biblioteca, laboratorio,

aulas)

60.000 64 horas 3.840.000

Utilizacin de equipos de laboratorio 60.000 64 horas 3.840.000

Utilizacin equipos de computo 60.000 64 horas 3.840.000

Licencias - Artculos tcnicos (IEEE, Elsevier) 1000000 1 1000000

TOTAL PROPONENTES 588.000

TOTAL UNIVERSIDAD 16.360.000

Total Proponentes: $588.000 Total Universidad: $ 16.360.000 Total Costos: $ 16.948.000 13. NMERO DE ESTUDIANTES: 1 14. BIBLIOGRAFA BSICA

[1] A. I. d. l. Energal, Consumo de energa elctrica (kWh per cpita), [En lnea]. Available:

http://datos.bancomundial.org/indicador/EG.USE.ELEC.KH.PC/countries?display=graph.

[ltimo acceso: 17 marzo 2014].

[2] A. I. d. l. E. (AIE), Acceso a la electricidad (% de poblacin), [En lnea]. Available:

http://datos.bancomundial.org/indicador/EG.ELC.ACCS.ZS/countries?display=graph.

[ltimo acceso: 17 Mayo 2014].

[3] M. d. M. y. Energia, Memorias eal congreso de la republica, energia electrica

(2013/2013), [En lnea]. Available:

http://www.minminas.gov.co/minminas/downloads/UserFiles/File/Memorias/Memorias_201

3/4-Energia.pdf. [ltimo acceso: 17 Mayo 20014].

Commented [j7]: Esta cifra est mal calculada. En todo caso revisar porque las horas propuestas equivalen a cerca de 20 horas semanales, lo que es excesivo. Ms razonable es emplear entre 8 y 10 horas semanales.

Commented [j8]: No s si es mi versin de Word pero varias referencias salen con muchas siglas al inicio.

[4] T. Mohamadi, Modeling and Designing Wireless Energy Transfer Circuit in High Voltage

Based on Magnetic Coupling, de International Conference on Electrical Engineering and

Informatics, Bangladesh, 2011.

[5] B. M. S. k. M. Y. Amin Mehdipour, Evaluation of Inductive Coupling and RF-DC for

Wireless Power Transmission, 2013.

[6] K. L. C. Y. R. M. H. C. Chunbo Zhu, Simulation and Experimental Analysis on Wireless

Energy Transfer Based on Magnetic Resonances, de IEEE Vehicle Power and Propulsion

Conference, Harbin, China, 2008.

[7] A. D. B. J. C. T. Q. Gmez, Diseo e implementacin de un sistema de transferencia de

energa elctrica inalmbrica para alimentar dispositivos electrnicos de baja potencia,

Bogota, Colombia, 2013.

[8] G. K. T. K. S. K. A. Daiki Maehara, Experimental Study on Multi-point Wireless Energy

Transmission at 950 MHz Band, 2012.

[9] R. L. S. C. C. S. Chunlai Yu, Research on Resonance Based Wireless Energy Transfer

Device for Small Mobile Equipments, Harbin, China.

[10

]

P. Vega Castillo, M. Vlchez Monge, M. Villegas Lemus y P. Alvarado Moya,

Consideraciones de diseo para robots miniaturizados, 2010.

15. FIRMA DEL PROPONENTE

____________________________________________ 16. FIRMA DEL DIRECTOR (ASESORES)

____________________________________________

17. FECHA:

(Espacio Reservado para el CAC)

1. Fecha de recepcin:______________________________________________ 2. Aprobado:_________ aplazadazo:__________ Rechazado:_________ 3. Observaciones:

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

______________________________________________________________

4. Presupuesto

$_____________________________________________________________

5. Cdigo:____________________