La tracción humana, una forma de producción de energía alternativa, explora el potencial de la fuerza del ser humano ayudado de mecanismos de poleas y correas para distribuir y mejorar la eficiencia de la potencia disponible. Dentro de esta, el desarrollo de máquinas usando mecanismos de bicicletas, denominadas bicimáquinas, ha liderado.
El uso de mecanismos similares a los de las bicicletas data de finales del siglo XIX, sin embargo, con el uso del petróleo y sus derivados, estas máquinas fueron remplazadas, ya que presentaban mayores eficiencias de trabajo.
En la actualidad se han desarrollado máquinas a pedales capaces de realizar trabajos específicos, pudiendo adaptarse para realizar diferentes funciones, utilizando la energía mecánica o transformándola en energía eléctrica.
Es así como existen generadores eléctricos que funcionan a pedales, donde una persona es capaz de generar entre 150 y 300 W de potencia, dependiendo de la duración y el esfuerzo en el pedaleo o adaptando el sistema para el uso con bicicletas estáticas de gimnasios, para generar 15 V y 2,5 A, con una eficiencia del sistema de 66,6%.
En la agricultura han sido implementadas en sistemas agrícolas pequeños, en donde lo que se produce se destina para autoconsumo o eventualmente puede ser comercializado a baja escala.
El diseño incluyó una plataforma móvil de madera, reforzada con perfiles de hierro, con un soporte para sostener una bicicleta. Los distintos mecanismos de transmisión de energía fueron implementados utilizando cadenas de bicicleta, correa de distribución de automóvil, piñones de 7 velocidades y poleas.
Para la transformación de energía mecánica en energía eléctrica, se utilizó un alternador genérico de automóvil.
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Modelos de Transmisión de Energía
Se probaron cuatro modelos diferentes para la transmisión de energía:
- M1: Contacto directo entre el rotor de la bomba y la rueda trasera de la bicicleta.
- M2: Transmisión de movimiento entre el piñón mayor de la bicicleta y un piñón ensamblado al eje rotor de la bomba, conectados entre sí por una cadena de bicicleta convencional.
- M3: Polea ensamblada al eje rotor de la bomba, conectada mediante una correa de distribución a la rueda trasera de la bicicleta.
- M4: Transformación de la energía mecánica del pedaleo en energía eléctrica, utilizando un alternador de automóvil conectado a una batería, y ésta conectada a un convertidor de voltaje y un estabilizador.
Fig. 1. Sistema de transmisión de energía hacia una bomba de agua conectado (M1).
Fig. 2. Mecanismos de transmisión de energía mecánica bicicleta-bomba (M1, M2 y M3).
Fig. 3. Mecanismo de transformación de energía mecánica a energía eléctrica (M4).
Evaluación Preliminar
Al comparar los modelos, M1 presentó los mejores resultados entregando un caudal máximo de 36,78 L min-1 a 1,02 m de altura, y una elevación máxima de 20,04 m con un caudal de 12,48 L min-1. También presentó la máxima eficiencia de 21,17%.
Por el otro lado, M3 registró un caudal máximo de 14,49 L min-1 y una elevación máxima de 5,10 m, no superando un 10% de eficiencia en ninguno de los casos.
El mecanismo del M2 no logró hacer funcionar la bomba, dado que la fuerza ejercida sobre el pedal provocaba la salida de la cadena que conectaba el piñón de la bicicleta con el piñón de la bomba. Esta situación se le atribuyó al movimiento o vibración de la bicicleta sobre el soporte, a ciertas cadencias de pedaleo. Es por ello que se sugiere, para este tipo de modelo, fijar la bicicleta a una superficie rígida.
Considerando los resultados preliminares de los modelos, se observa que el M1 registró la mayor entrega de caudal con respecto al M3 y M4, a una elevación de 5,10 m, junto con mostrar una mayor eficiencia de transmisión de energía respecto al resto de los modelos (15,58%), como lo muestra la Tabla 2.
| Modelo | Caudal Máximo (L min-1) | Elevación Máxima (m) | Eficiencia Máxima (%) |
|---|---|---|---|
| M1 | 36,78 | 20,04 | 21,17 |
| M3 | 14,49 | 5,10 | < 10 |
Evaluación Detallada del Modelo M1
Se realizó un análisis detallado mediante la construcción de curvas características de la bomba las cuales representan una forma de especificar su funcionamiento en base a las variables elevación, eficiencia y potencia en función del caudal.
En la Fig. 4 se observa que, utilizando la cc 3-7, se alcanzan los mayores caudales en todas las elevaciones, con un máximo de 29,33 L min-1 a 1,02 m. Además, esta cc alcanzó la máxima elevación con 20,40 m, entregando 4,34 L min-1.
Luego, la cc 3-6 registra un caudal máximo de 22,58 L min-1 a 1,02 m, alcanzando una elevación máxima de 15,30 m, con un flujo de 5,42 L min-1.
La cc 3-5 entregó mayores caudales con respecto a la cc 2-6 a elevaciones de 1,02 m, 5,10 m y 10,20 m, con flujos de 22,04, 15,83 y 8,38 L min-1, respectivamente.
En cuanto a eficiencia, la cc 3-5 registró la eficiencia de transmisión de energía más alta de todas las cc, con un 22,90%, entregando un caudal de 15,83 L min-1.
Fig. 4. Curvas características H (m)versus Q (Lmin-1); información de la serie corresponde a cc/ revoluciones dela bomba.
Fig. 5. Curva de eficiencia (%) versus Q (L min-1); información de la serie corresponde a c c/revolucione s de la bomba.
máxima de 21,70%, con un caudal de 15,03 L min-1, la cc 3-7 presentó una máxima eficiencia de 16,10% con un caudal de 27,81 L min-1 y la cc 3-6 registra la menor eficiencia de todas las combinaciones con un 15,00%.
Las máximas eficiencias de cada cc se alcanzaron a una elevación de 5,10 m.
La Fig. 6 muestra que la cc 3-7 es la que entrega un mayor caudal respecto a las demás cc en todas las elevaciones, con un caudal máximo de 36,78 L mi -1 a 1,02 mca. La máxima elevación fue de 20,40 m, al igual que la cc 3-6, entregando caudales de 12,48 y 4,15 L min-1, respectivamente.
La cc 3-6 entregó mayores caudales que las cc 3-5 y 2-6 en todas las elevaciones, con un máximo de 29,39 L min-1 a 1,02 m. Mientras la cc 3-5 alcanzó un flujo máximo de 24,47 L min-1 a 1,02 m, y un mínimo de 1,64 L min-1 a 15,30 m.
La cc 3-6 alcanzó la mayor eficiencia con respecto al resto de las cc, con un 23,40%, entregando un caudal de 17,66 L min-1 a una elevación de 10,20 m. Posteriormente, la cc 2-6 registró una eficiencia máxima de 21,40% a una altura de 5,10 m, con un caudal de 16,13 L min-1.
Fig. 6. Curvas características H (m) versus Q (L min-1); información de la serie corresponde a cc/ revoluciones de la bomba.
Fig. 7. Curva de eficiencia (%) versus Q (L min-1); información de la serie corresponde a cc/revoluciones de (a bomba.
y la cc 3-5 presentó la menor eficiencia del grupo de cc con un 13,60% con un flujo de 20,45 L min-1 a 5,10 m.
La Fig. 8 muestra que la cc 3-6 presenta los mayores caudales a todas las elevaciones respecto del resto de las cc, con un máximo de 35,64 L min-1 a 1,02 m. Mientras la máxima elevación fue de 20,40 m entregando 10,20 L min-1.
Fig. 8. Curvas características H (m) versus Q (L min-1); información de la serie corresponde a cc/ revoluciones de la bomba.
Fig. 9. Curva de eficiencia (%) versus Q (L min-1); información de la serie corresponde a cc/revoluciones de la bomba.
un caudal de 21,06 L min-1 a una elevación de 5,10 mca. Luego, la cc 3-6 presenta una máxima eficiencia de 26,40%, con un caudal de 23,19 L min-1 a 10,20 m de elevación. Posteriormente, la cc 3-5 alcanza la mayor eficiencia de 23,50% con un caudal de 17,21 L min-1 a una elevación de 10,20 m.
Las figuras que se presentan a continuación muestran cómo varía la potencia de la bomba Pbomba en función de la potencia de la rueda de la bicicleta PRB, y aunque dicha tendencia tiene un efecto, debido a la eficiencia, también describe el efecto del patinaje entre la rueda de la bicicleta y el rotor de la bomba, apreciándose, en las Figs. 10, 11 y 12, que existe una relación proporcional entre la PRB y la Pbomba; sin embargo, esta relación se vuelve inversamente proporcional una vez que se alcanza un punto máximo, lo cual indica que existe un límite en cada curva en donde la energía del pedaleo se disipa sin transmitirse a la bomba.
Fig. 10. Potencia de la rueda de la bicicleta (PRB) versus potencia de la bomba (Pbomba) a 55 RPM.
Fig. 11. Potencia de la rueda de la bicicleta(PRB)versus potencia de la bomba(Pbomba) a 60 RPM.
En la Fig. 10, se muestra que, bajo esta condición, se requiere ejercer una PRB de 57,57 W, para elevar a 5,1 m un caudal de 15,83 L min-1, con una Pbomba resultante de 13,19 W. En 10,2 m, la relación entre PRB y la Pbomba se mantiene proporcional, pero con una menor eficiencia, para luego transformarse en una relación inversamente proporcional, asociada el efecto de patinaje. Este comportamiento es común para las cc 3-7 y 3-6.
Mientras que para la cc 2-6, la relación PRB versus Pbomba se vuelve inversamente proporcional a 10,2 m, inmediatamente después de alcanzar su máxima eficiencia a 5,1 m.
Para la cadencia de 60 RPM la mayor eficiencia fue alcanzada en cc 3-6, requiriendo una PRB de 125,61 W (Fig. 11), entregando un caudal de 17,66 L min-1 a 10,2 m de elevación.
Inmediatamente después de esta condición de máxima eficiencia, la relación es inversamente proporcional entre la PRB y Pbomba, comportamiento similar para las cc 3-7 y 2-6 en donde la caída ocurre a 15,3 m y 10,2 m, respectivamente, exceptuando la cc 3-5, en donde después de alcanzar su máxima eficiencia a 5,1 m.
La cc 2-6 presenta la mayor eficiencia (Fig. 9), requiriendo una PRB de 65,26 W, desarrollando una Pbomba de 17,54 W (Fig. 12), elevando a 5,1 m un flujo de 21,06 L min-1.
Fig. 12. Potencia de la rueda de la bicicleta (PRB) versus potencia de la bomba (Pbomba) a 70 RPM.
La relación entre la PRB y la Pbomba. a 55 y a 60 RPM, se observa un comportamiento inversamente proporcional a 15,3 y 20,4 m de elevación en todas las cc (Figs, 10 y 11).
A 70 RPM, se observa el mismo comportamiento, excepto para las cc 2-6 y 3-6, sin embargo, estas presentan bajas eficiencias del orden de 8,9% y 6,1%, respectivamente, en comparación con el resto de las elevaciones (Fig. 12).
Las elevaciones adecuadas de funcionamiento del M1 fueron a 5,1 m y 10,2 m, ya que presenta las mayores eficiencias y mantiene una relación proporcional entre PRB y la Pbomba en la mayoría de las cc (Figs. 10, 11 y 12), exceptuando en la cc 2-6 a 55 y 60 RPM a 10,2 m.