Proyecto didáctico: Generador eólico

Generador eólico

1. Introducción.

1.1. Descripción del proyecto: componentes y funcionamiento. Memoria del proyecto.

El presente proyecto presenta un sistema básico y didáctico para conversión y generación de energía eólica a energía eléctrica. La potencia o energía cinética que conlleva el movimiento de grandes masas de aire puede ser recogido en parte desde una hélices convencionales que girarán a una velocidad angular determinada.
Para llevar a cabo el proyecto partiremos del funcionamiento de un elemento muy común en los talleres de Tecnología: el motor. Como es sabido, un motor eléctrico de corriente continua es un dispositivo que consta de dos partes: un estátor o elemento fijo y un rotor o elemento móvil. La interacción electromagnética entre ambos elementos provocará un desplazamiento rotacional relativo entre rotor y estátor, que será giro absoluto delrotor cuando el estátor esté inmovilizado.
El principio físico del funcionamiento de un motor de corriente continua se basa en los fundamentos del electromagnetismo.

Motor elétrico y rotor

La explicación del funcionamiento del motor de corriente continua se resumirá por tanto en que el motor eléctrico es un convertidor de energía eléctrica consumida por los arrollamientos de cobre que generará energía mecánica en forma de giro o par de fuerza la cual será constante si se mantiene la alimentación eléctrica. No obstante, el mismo montaje de los componentes del motor también sirve para realizar la conversión contraria; esto es, cuando se provoque en el rotor o inducido un giro o par de fuerza constante, los arrollamiento del rotor provocarán una corriente inducida en el estátor generando un campo magnético y por tanto generando en el estátor una fuerza electromotriz inducida o tensión eléctrica. Este será el funcionamiento de una dinamo.
Por tanto, utilizando un motor eléctrico que se encuentra comunmente en un taller de Tecnología y aplicándole al eje del rotor un movimiento rotacional, provocaremos la generación de una corriente eléctrica en el estátor, que será proporcional con el campo magnético generado y la intensidad de éste con la velocidad angular del rotor.
Para llevar a cabo el proyecto, se construirá un dispositivo mecánico que vonvierta la energía cinética del viento, cuyo movimiento es de desplazamiento lineal en un desplazamiento rotacional en un eje. Esto seralizará haciendo chocar el viento con una hélice que por su forma helicoidal hará que el viento choque contra las paredes anguladas de los álbes de la hélice provocando en éstas una fuerza perpendicular a la dirección del viento. Si la hélice tiene dispuestos los álabes o palas de forma simétrica y repartidas uniformemente alrededor de un eje,, dicho eje rotará por la acción del viento contra las palas de la hélice.
Existen varias aproximaciones a la solución de este proyecto, tanto en la construcción de la hélice, que puede ser construida o suministrada a los alumnos, como en la transmisión del movimiento rotatorio desde la hélice hasta el motor. Una primera solución puede basarse en poleas, como las mostradas en los planos del proyecto. Otra posible solución está basada en mecanismos reductores (engranaje). En este proyecto se ha optado por la primera, para favorecer los cálculos y construcción del mecanismo multiplicador de la rotación.

1.2. Planos, dibujos y esquemas del proyecto.

A continuación mostramos algunos planos que podrían servir de guía para la construcción del generador eólico tipo "molino de viento".

Esquema molino de viento y transmisión de rotación

Detalle poleas

Detalle conexión motor, bombilla y voltímetro

2. Aspectos académicos generales.

2.1. Nivel al que se destina.

El proyecto se podría encuadrar en la asignatura de Tecnologías de 3º de ESO, donde la edad de los alumnos oscilará entre los 13 y 15 años.
El momento recomendable para introducir este proyecto es como actividad de taller durante el tercer trimestre de 3º de ESO, donde los alumnos dispondrán de conocimientos suficientes sobre mecanismos de transmisión y transformación de movimientos, pero también sobre materiales, herramientas de trabajo, seguridad en el taller, energía e impacto ambiental, medición de magnitudes eléctricas y representación gráfica. Si por cambios en la programación didáctica no se hubiera ofrecido información suficiente sobre electricidad y motores eléctricos, este proyecto debeberá servir para introducir explicaciones adicionales s obre el funcionamiento de motores desde el punto de vista básico y sin entrar demasiado en los detalles físicos y electro-magnéticos internos del motor.

2.2. Conexiones con otras áreas.

Con el área de Ciencias de la Naturaleza, en cuanto a la obtención de una extensión de conocimientos sobre recursos renovables.
Con el área de Ciencias Sociales respecto al estudio de las regiones nacionales o locales que aprovechan la energía eólica como apoyo a la comprensión de la utilidad e importancia del proyecto que van a realizar.

2.3. Relación con competencias básicas.

Competencia	Relación con el proyecto
Comunicación lingüística.	A traves de la adquisición del vocabulario utilizado en el proyecto, la lectura y escritura de documentación y memorias del proyecto.
Matemática	Básicamente mediante la medición de magnitudes, cálculos en problemas de transmisión del movimiento, creación e interpretación de los gráficos de generación de energía eléctrica.
En el conocimiento y la interacción con el mundo físico	Esta competencia adquiere mucha importancia en este proyecto mediante el conocimiento y comprensión de objetos (materiales constructivos y electrónicos), procesos, sistemas y entornos tecnológicos (generadores eólicos). Contribuye al desarrollo de destrezas y habilidades técnicas para manipular objetos. También permiteconcienciar al alumno para actuar para lograr un entorno más saludable y para consumir más racionalmente.
En el tratamiento de la información y competencia digital.	El proyecto incluye tareas de localización, procesamiento, elaboración, almacenamiento y presentación de la información.
Social y ciudadana	Esta competencia, en lo que tiene de habilidad para las relaciones humanas y de conocimiento de la sociedad, puede adquirirse mediante la forma en que se actúa frente a los problemas tecnológicos y sobre todo por la forma de trabajar en grupo de este proyecto.
Cultural y artística	No es un objetivo de este proyecto, aunque se puede valorar y favorecer. En concreto, puede estar presente en la repercusión de la tecnología eólica sobre las personas.
Para aprender a aprender	El desarrollo de la estrategia necesaria para resolver el problema del generador, desde diseñar las palas de la hélice hasta el circuito para comprobar el funcionamiento, permite al alumno mejorar esta competencia.
En autonomía e iniciativa personal	Esta competencia se adquiere por la puesta en práctica de la metodología intrínseca de esta proyecto.
Emocional	El hecho de construir el proyecto y comprobar que se puede generar energía contribuirá a la confianza en sí mismos.

3. Relación con la especialidad.

3.1. Objetivos

Objetivos de Etapa.

Los objetivos generales de etapa, establecidos en el Real Decreto 1631/2006 de 29 de diciembre y concretados en el Decreto 69/2007 de 28 de mayo, que contribuye a alcanzar este proyecto son:

Asumir responsablemente sus deberes, conocer y ejercer sus derechos en el respeto a los demás, practicar la tolerancia, la cooperación y la solidaridad entre las personas y grupos, ejercitarse en el diálogo afianzando los derechos humanos como valores comunes de una sociedad plural e intercultural; y prepararse para el ejercicio de la ciudadanía democrática.
Desarrollar y consolidar hábitos de disciplina, estudio y trabajo individual y en equipo como condición necesaria para una realización eficaz de las tareas del aprendizaje y como medio de desarrollo personal.
Valorar y respetar la diferencia de sexos y la igualdad de derechos y oportunidades entre ellos. Rechazar los estereotipos que supongan discriminación entre hombres y mujeres.
Fortalecer sus capacidades afectivas en todos los ámbitos de la personalidad y en sus relaciones con los demás, así como rechazar la violencia, los prejuicios de cualquier tipo, los comportamientos sexistas y resolver pacíficamente los conflictos.
Desarrollar destrezas básicas en la utilización de las fuentes de información para, con sentido crítico, adquirir nuevos conocimientos. Adquirir una preparación básica en el campo de las tecnologías, especialmente las de la información y la comunicación.
Concebir el conocimiento científico como un saber integrado, que se estructura en distintas disciplinas, así como conocer y aplicar los métodos para identificar los problemas en los diversos campos del conocimiento y de la experiencia.
Desarrollar el espíritu emprendedor y la confianza en sí mismo, la participación, el sentido crítico, la iniciativa personal y la capacidad para aprender a aprender, planificar, tomar decisiones y asumir responsabilidades.
Conocer y asumir los principios del desarrollo sostenible y su repercusión para toda la sociedad, valorar críticamente el uso del entorno natural, y adquirir hábitos de cuidado de los seres vivos y el medio ambiente, contribuyendo a su conservación y mejora.
Adquirir una preparación básica para la incorporación profesional y aplicar los conocimientos adquiridos como orientación para la futura integración en el mundo académico y laboral.

Objetivos de Área.

Los objetivos generales de la enseñanza de las Tecnologías en esta etapa tienen un conjunto de objetivos también expresados en términos de capacidades que han de desarrollarse en el alumno, y a los cuales contribuye el presente proyecto son:

Abordar con autonomía y creatividad, individualmente y en grupo, problemas tecnológicos trabajando de forma ordenada y metódica para estudiar el problema, recopilar y seleccionar información procedente de distintas fuentes, elaborar la documentación pertinente, concebir, diseñar, planificar y construir objetos o sistemas que resuelvan el problema estudiado y evaluar su idoneidad desde distintos puntos de vista.
Disponer de destrezas técnicas y conocimientos suficientes para el análisis, intervención, diseño, elaboración y manipulación de forma segura y precisa de materiales, objetos y sistemas tecnológicos.
Analizar los objetos y sistemas técnicos para comprender su funcionamiento, conocer sus elementos y las funciones que realizan, aprender la mejor forma de usarlos y controlarlos y entender las condiciones fundamentales que han intervenido en su diseño y construcción.
Expresar y comunicar ideas y soluciones técnicas, así como explorar su viabilidad y alcance utilizando los medios tecnológicos, recursos gráficos, la simbología y el vocabulario adecuados.
Adoptar actitudes favorables a la resolución de problemas técnicos, desarrollando interés y curiosidad hacia la actividad tecnológica, analizando y valorando críticamente la investigación y el desarrollo tecnológico y su influencia en la sociedad, en el medio ambiente, en la salud y en el bienestar personal y colectivo.
Actuar de forma dialogante, flexible y responsable en el trabajo en equipo, en la búsqueda de soluciones, en la toma de decisiones y en la ejecución de las tareas encomendadas con actitud de respeto, cooperación, tolerancia y solidaridad.

Objetivos Didácticos.

Mediante el actual proyecto se pretenden sonseguir una serie de obtetivos específicos mínimos, los cuales tienen relación directa con el trabajo que se desarrolle en el taller, siendo estos:

Valorar la actividad inventiva, extenndiendola a todas las áreas de la vida y del conocimiento, para su alicación en el mundo de la práctica.
Reconocer y utilizar adecuadamente diversos tipos de materiales así como las herramientas adecuadas para sus transformaciones y su uso adecuado a las normas de seguirddad e higiene en el taller.
Conseguir realizar mediciones exactas y precisas de magnitudes relativas a dimensiones físicas, y lógicas.
Aplicar con rigor los aspectos relativos a los cálculos previos en el desarrollo de mecanismos.

3.1. Relación con los bloques temáticos dispuestos en los currículos educativos.

El proyecto está relacionado con los siguientes bloques temáticos de 1º a 3º de ESO en la asignatura de Tecnologías (Real Decreto 1631/2006):
Bloque 1. Proceso de resolución de problemas tecnológicos.
Fases del proyecto técnico. Elaboración de ideas y búsqueda de soluciones. Distribución de tareas y responsabilidades, cooperación y trabajo en equipo.
Realización de documentos técnicos. Diseño, planificación y construcción de prototipos o maquetas mediante el uso de materiales, herramientas y técnicas adecuadas.
Evaluación del proceso creativo, de diseño y de construcción. Análisis y valoración de las condiciones del entorno de trabajo.
Utilización de las tecnologías de la información y la comunicación para la confección, desarrollo, publicación y difusión del proyecto.
Bloque 3. Materiales de uso técnico.
Análisis de materiales y técnicas básicas e industriales empleadas en la construcción y fabricación de objetos.
Madera, metales, materiales plásticos, cerámicos y pétreos. Trabajo en el taller con materiales comerciales y reciclados, empleando las herramientas de forma adecuada y segura.
Bloque 4. Técnicas de expresión y comunicación.
Uso de instrumentos de dibujo y aplicaciones de diseño gráfico por ordenador, para la realización de bocetos y croquis, empleando escalas, acotación y sistemas de representación normalizados.
Conocimiento y aplicación de la terminología y procedimientos básicos de los procesadores de texto, hojas de cálculo y las herramientas de presentaciones. Edición y mejora de documentos.
Bloque 5. Estructuras.
Elementos de una estructura y esfuerzos a los que están sometidos. Análisis de la función que desempeñan.
Bloque 6. Mecanismos.
Mecanismos de transmisión y transformación de movimiento. Relación de transmisión. Análisis de su función en máquinas.
Uso de simuladores para recrear la función de estos operadores en el diseño de prototipos.
Diseño y construcción de maquetas que incluyan mecanismos de transmisión y transformación del movimiento.
Bloque 7. Electricidad.
Experimentación de los efectos de la corriente eléctrica: luz, calor y electromagnetismo. Determinación del valor de las magnitudes eléctricas mediante instrumentos de medida.
Aplicaciones de la electricidad en sistemas técnicos. Circuito eléctrico: funcionamiento, elementos, simbología y diseño.
Empleo de simuladores para la comprobación del funcionamiento de diferentes circuitos eléctricos. Realización de montajes de circuitos característicos.
Valoración crítica de los efectos del uso de la energía eléctrica sobre el medio ambiente.
Bloque 8. Tecnologías de la comunicación. Internet.Herramientas y aplicaciones básicas para la búsqueda, descarga, intercambio y publicación de la información.

4. Planificación y Actividades

4.1. Planificación: Desarrollo planificado de la fabricación del proyecto.

Fases del proyecto:

Motivación y planteamiento del problema. Exposición para motivar el trabajo a desarrollar. Búsqueda de información y observación de generadores eólicos reales (antiguos y modernos). Se puede plantear también una visita a un parque eólico.
Planificación y discusión de soluciones. Preparación de documentación técnica. Planteamiento de soluciones. Cada subgrupo A, B y C debe plantear una. Se pondrá en común y mediante votación democrática se obtendrá la solución elegida.
Construcción de la estructura de sustentación de hélice y sistema de transmisión. Preparación y corte de material. Lijado, taladrado y ensamblaje de la estructura.
Construcción de ejes y poleas del sistema de transmisión. Corte de círculos de poleas. Pegado, ensamblado con los ejes.
Ensamblaje del sistema de poleas. Ensamplaje de poleas y correas.
Construcción de la estructura para el motor y circuito. Preparación y corte de material. Lijado, taladrado y ensamblaje de la estructura.
Ensamblaje de ambas estructuras. Pegado o ensamblado de ambas estructuras.
Posicionamiento y conexión mecánica del eje al motor. Colocación del motor y conexión con sistema eólico.
Conexiones eléctricas. Conexión del motor a la clema. Instalación de la lámpara.
Pruebas y ajustes finales. Cerramiento de las estructuras si se diseñaron así. Ajuste de poleas y correas. Medición con voltímetro.

4.2. Hoja de trabajo: Reparto de tareas en la fabricación entre grupos de alumnos con referencia de métodos y tiempos para cada tarea.

La construcción del equipo del proyecto está prevista para 6 semanas, trabajando a razón de 2 horas semanales. El grupo de trabajo del taller lo compondrán 6 alumnos, los cuales, por parejas, conformarán los equipos de trabajo A, B y C.
Por otra parte, a los alumnos se les asignará su rol dentro del grupo, que vendrán a ser: portavoz, responsable de seguridad e higiene, encargado de limpieza, secretario, responsable de herramientas, responsable de almacén (material). Todos los miembros del grupo deben colaborar para facilitar la tarea a los encargados de cada función.

Fase	Semana 1	Semana 2	Semana 3	Semana 4	Semana 5	Semana 6
1	ABC
2	ABC	ABC
3			ABC
4				B
5				B	B
6				AC
7				AC	AC
8					ABC
9						ABC
10						ABC

Estas fases son orientativas, y dependiendo de la solución técnica aportada por cada grupo podrían sufrir modificaciones. En cualquier caso, esta planificación deben realizarla también los alumnos y será revisada por el profesor al terminar la fase 2.

4.3. Actividades de Taller-Laboratorio. Prácticas experimentales.

En este proyecto únicamente se propone una actividad práctica de laboratorio que consiste en llegar a una conclusión empírica sobre la relación entre la intensidad del viento y la tensión generada en la dinamo. Para ello se realizarán los siguientes pasos:

Colocación del ventilador (fuente de energía) en frente del proyectoo.
Colocación de anemómetro para medición de la velocidad del aire del ventilador.
Posición del conmutador del ventilador en la primera velocidad.
Medición de la lectura del anemómetro para la primera velocidad.
Medición de la lectura del voltímetro.
Anotaciones sobre la intensidad de luz generada por la lámpara. Percepción visual.
Cambio sucesivos en el conmutador del ventilador.
Toma de datos según los pasos 4 a 6.
Creación de un gráfico con los parámetros: en el eje Y la tensión eléctrica en voltios, en el eje X la velocidad del viento en metros/segundo.
Conclusiones a la vista de los datos sobre el funcionamiento del proyecto.

5. Materiales para el desarrollo del proyecto.

5.1. Materiales didácticos.

Material curricular.
Documentación del proyecto.
Material multimedia para la comprensión del funcionamiento del motor/dinamo.
Bibliografía del Aula-Taller acerca de transmisión de fuerza por engranajes.
Herramientas manuales para comparación con el dispositivo creado.
Biblioteca del Centro.

5.2. Materiales del taller.

Elementos convencionales: pizarra,
Elementos multimedia: presentaciones, vídeos, imágenes, etc.
Consumibles:

Motor eléctrico.
Ejes metálicos de 3mm de diámetro.
Correas de goma.
Tornillos madera. Tornillos y tuercas de métrica.
Junta cardan (grupos que la necesiten).
Clema de dos contactos.
Lámpara o led. Portalámparas.
Cable eléctrico de diámetro pequeño.
Madera de contrachapado de 3mm de espesor.

Herramientas del taller: banco de trabajo, tornillo del banco, taladradora, brocas, voltímetro, anemómetro, etc.

6. Evaluación.

6.1. ¿Qué evaluar?

Si tenemos en cuenta los criterios de evaluación de la materia Tecnologías, lo que deberíamos evaluar es:
1. Valorar las necesidades del proceso tecnológico empleando la resolución técnica de problemas analizando su contexto, proponiendo soluciones alternativas y desarrollando la más adecuada. Elaborar documentos técnicos empleando recursos verbales y gráficos.
2. Realizar las operaciones técnicas previstas en un plan de trabajo utilizando los recursos materiales y organizativos con criterios de economía, seguridad y respeto al medio ambiente y valorando las condiciones del entorno de trabajo.
4. Describir propiedades básicas de materiales técnicos y sus variedades comerciales: madera, metales, materiales plásticos, cerámicos y pétreos. Identificarlos en aplicaciones comunes y emplear técnicas básicas de conformación, unión y acabado.
5. Representar mediante vistas y perspectivas objetos y sistemas técnicos sencillos, aplicando criterios de normalización.
6. Elaborar, almacenar y recuperar documentos en soporte electrónico que incorporen información textual y gráfica.
7. Analizar y describir en las estructuras del entorno los elementos resistentes y los esfuerzos a que están sometidos.
8. Identificar y manejar operadores mecánicos encargados de la transformación y transmisión de movimientos en máquinas. Explicar su funcionamiento en el conjunto y, en su caso, calcular la relación de transmisión.
9. Valorar los efectos de la energía eléctrica y su capacidad de conversión en otras manifestaciones energéticas. Utilizar correctamente instrumentos de medida de magnitudes eléctricas básicas. Diseñar y simular circuitos con simbología adecuada y montar circuitos formados por operadores elementales.
10. Acceder a Internet para la utilización de servicios básicos: navegación para la localización de información, correo electrónico, comunicación intergrupal y publicación de información.

Ejemplo de proyecto didáctico.