Generalidades de los sistemas de generacin de energa elctrica a partir de energa humanaAngel Songor#1, Jorge Jaramillo#2#1

Profesional en formacin, Universidad Tcnica Particular de Loja #2 Docente de la EET, Universidad Tcnica Particular de Loja Loja, Ecuador 20101

apsongor@utpl.edu.ec

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jorgeluis@utpl.edu.ec

ResumenEste trabajo recoge la lnea base relevante sobre la naturaleza de la denominada energa humana (human power), describe algunas iniciativas de aprovechamiento de energa humana, y, explica el proceso de transformacin de energa humana en energa elctrica. ndice de trminos Energa humana, human power, aprovechamiento de la energa humana, generacin de energa elctrica a partir de fuentes no convencionales.

La bibliografa disponible recoge vagamente la descripcin de los fundamentos de la energa humana. Tampoco describe en extenso el diseo, instalacin, y, operacin de los sistemas que aprovechan esa energa. Es por esta razn que se plante establecer una primera aproximacin al tema. Este documento recoge la informacin relevante obtenida en esta fase. II. GENERALIDADES SOBRE EL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGA HUMANA Se conoce como energa humana a las diferentes manifestaciones de energa con las que se caracteriza el esfuerzo fsico del ser humano (Ver Tabla 1) [2].TABLA 1 Formatos de energa en los que se presenta el esfuerzo humanoFORMAS DE ENERGA AGENTE Mecnica x x x x x Elctrica Termal Qumica

I.

INTRODUCCIN

El creciente costo econmico y ambiental de los combustibles fsiles ha promovido el desarrollo de fuentes renovables como alternativas energticas [1]. El xito de las energas renovables no slo se basa en el mejoramiento y optimizacin constante de las tecnologas para aprovecharlas, sino que tambin incluye un fuerte componente de transformacin de la cultura de uso de la energa en la sociedad. Esta situacin es especialmente importante cuando se trata de energas renovables absolutamente no convencionales como el caso de la denominada energa humana (human power), definida en trminos de ingeniera y en el dominio del tiempo, como la tasa de trabajo efectuado por el ser humano. La energa humana se pone de manifiesto al realizar un esfuerzo fsico en las maquinas de un gimnasio, en el pedaleo de una bicicleta, al disfrutar de juegos infantiles en parques y lugares pblicos, etc. En la inmensa mayora de casos en los que se emplea la energa humana, slo una parte del esfuerzo realizado cubre la demanda de energa necesaria para efectuar el trabajo requerido, mientras que otro tanto se disipa. Las distintas iniciativas de aprovechamiento de energa humana apuntan entonces a capturar la energa disipada.

Msculos Movimiento Potencial de la piel Transpiracin Calor del cuerpo

La energa humana es tan antigua como la humanidad Los primeros seres humanos recurrieron a su esfuerzo fsico para recoger, transportar, y, procesar sus alimentos y bienes [3]. La evolucin de la tecnologa llev a los esfuerzos romanos por mecanizar la energa humana. Los primeros modelos de ascensores, gras y otros ingenios romanos son prueba de aquello.

Un paso importante en el aprovechamiento de la energa humana se dio en el siglo XIX con la incorporacin de los pedales a las bicicletas. En corto tiempo, modificaciones de este invento fueron utilizadas para aplicaciones de riego y electrificacin, situacin que an se mantiene en muchos pases en vas de desarrollo [3]. El inters en la energa humana declin en el siglo XX en funcin de la disponibilidad de una abundante y barata energa elctrica; el desarrollo de compactos, potentes, y, verstiles motores; y, la disponibilidad de baratas bateras porttiles. La situacin se ha revertido en los ltimos aos, en funcin del inters por desarrollar aplicaciones para pases en vas de desarrollo, el desarrollo de iniciativas para localidades remotas, su potencial uso en electrnica portable, su aplicabilidad en situaciones de emergencia, etc. [3].

iluminacin: un LED encendido o tres a la vez (Ver figura 1) [6].

Fig. 1 . Antorcha dinamo de Philips

En el contexto de los cambios en el comportamiento humano propuestos por una mejor conciencia ambiental, especial inters representa el aprovechamiento de la energa humana en mquinas de gimnasio o los juegos infantiles [4]. Independientemente de la aplicacin, la cantidad de energa obtenida del cuerpo humano depende de los segmentos corporales que se utilizan, el estado fsico y mental del usuario, y, el diseo de la interfaz entre el usuario y el generador [5]. III. ALGUNAS APLICACIONES PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGA HUMANA En este apartado se presenta un inventario de iniciativas exitosas para el aprovechamiento de la energa humana, a partir de la Segunda Guerra Mundial hasta la actualidad. A. Antorcha dinamo La antorcha dnamo de Philips fue inventada durante la Segunda Guerra Mundial y ampliamente utilizada en lugares remotos, ante la ausencia de energa elctrica y la prohibicin de uso de luces brillantes. Este dispositivo fue lanzado al mercado como WWII vintage dynamo torch philips wehrmacht flashlight [5]. Este dispositivo trabajaba con un sistema de recarga basado en el dnamo, operado por medio de una manivela manual que giraba en el sentido de las manecillas del reloj. Para la iluminacin, se dispona de 3 bombillos tipo LED de alta luminosidad. Un switch regulaba el modo de

B. Reloj Cintico En 1992, la empresa Seiko present el reloj cintico (Ver Fig. 2), un reloj de pulsera alimentado por un mini generador. El generador converta el movimiento del reloj - como consecuencia del movimiento del usuario - en electricidad que se almacenaba en un condensador [5].

Fig. 2 . Reloj de pulsera Seiko, alimentado por el movimiento del usuario

C. Radio BayGen En 1996, la compaa sudafricana Freeplay present la primera radio BayGen. Esta radio funcionaba mediante un resorte de cuerda. Al dar una vuelta a la manivela, se enrolla un resorte, el mismo que activa el generador elctrico interno y permite el funcionamiento de la radio (Ver Fig.3) [5].

Con medio minuto de girar la manivela con la mano, alcanza para escuchar la radio durante 30 minutos, dependiendo del volumen de la reproduccin. El producto fue un xito, especialmente en el continente africano, donde las organizaciones de ayuda suministraron la radio a las personas sin acceso a la electricidad. La radio tambin fue popular en Europa y en los Estados Unidos [5].

Fig. 4. El Aladdinpower

E. FreeChargeFig. 3. Radio Baygen activado por manivela

D. Lmpara cintica Aladdinpower En 1998 la empresa Nissho lanz el Aladdinpower, un dispositivo de potencia de mano que suministra energa a dispositivos electrnicos basado en el principio de conversin de energa humana a elctrica mediante un dinamo o generador de energa que se encuentra ubicado en el interior de la lmpara. Una palanca externa est ubicada aproximadamente a 45 grados de la lmpara y al ser presionada contra el cuerpo de la lmpara, hace girar el dnamo (Ver Fig.4) [5]. El Aladdinpower proporciona energa para el funcionamiento de un telfono o una linterna en una situacin de emergencia. Un minuto de esfuerzo manual en el dispositivo, proporciona la energa requerida para soportar un minuto de llamada a travs de un celular. Nissho tambin desarroll el stepcharger, que funciona bajo el mismo principio pero que es accionado por el movimiento de los pies, generando cuatro veces ms energa que el Aladdinpower [5].

En el 2002, la compaa Freeplay Energy lanz un generador de electricidad de traccin humana para la venta comercial. El principio de funcionamiento de este dispositivo se basa en aprovechar la energa humana a travs de un pedal (Ver Fig.5 empujado hacia arriba y hacia abajo. La energa humana generada con esta accin sirve para girar un generador elctrico interno [7]. Adicionalmente, el FreeCharge puede ser recargado por cualquier tomacorriente de 110V a 240 V, y, posee entradas de energa de otras fuentes como solar y elica. El FreeCharge utiliza una batera de gel de cido de plomo que tiene el poder suficiente para poner en marcha vehculos, embarcaciones y muchos otros aparatos elctricos. [7]

Fig. 5. El FreeCharge de la empresa Freeplay Energy

IV. PROCESO DE GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA A PARTIR DE ENERGA HUMANA En la Fig. 6 se muestra un esquema general del proceso de transformacin de energa humana en energa elctrica [8]. En una primera etapa, se selecciona la fuente el formato - de energa humana (Ver Tabla 1). En la segunda etapa, se realiza la conversin de energa humana en energa elctrica a travs del convertidor ptimo. La tercera etapa storage puede existir o no. Generalmente se prev storage para aplicaciones en las que la energa se utilizar en forma asincrnica en tiempo - respecto de la generacin [8].

computador porttil, de una radio portable, de una cmara fotogrfica -, encender una bombilla de bajo consumo, activar ciertos electrodomsticos lavadoras, licuadoras -, etc. La energa elctrica generada mediante pedaleo, puede ser utilizada directamente o bien destinarse al storage. En la Tabla 2 se muestra una aproximacin a la relacin existente entre el tiempo de pedaleo y la generacin de energa elctrica suficiente para abastecer el consumo de cierta aplicacin electrnica [9].

Entrada: Energa Humana

Conversin de Energa Salida: Producto o aplicacin energizadas

Storage

Salida: Producto o aplicacin energizadasFig. 6. Esquema general de la generacin de energa elctrica a partir de energa humana Fig. 7. Potenciales uso de la energa elctrica generada en el pedaleo

La seleccin del convertidor de energa humana en energa elctrica es la actividad clave en el proceso de transformacin de energa, y, da lugar a varios esquemas de conversin. A. El pedaleo como fuente de energa elctrica30 segundos 4 minutos 20 minutos 7 horas 7 horas

TABLA 2 Relacin entre tiempo de pedaleo y generacin de energa elctrica para el consumo de dispositivos electrnicos 1 hora de msica en un discman Funcionamiento de un reloj Cargando un telfono celular Un da de trabajo con una lmpara de 60 W 4 horas de uso de computadora

El pedaleo humano -en modelos adaptados de la bicicletaes una de las formas ms habituales de generar energa elctrica. Generalmente, el esquema de generacin de energa elctrica se basa en el uso de un dnamo cuyo rotor gira potenciado por el esfuerzo del pedaleo humano. La Fig. 7 muestra algunas potenciales aplicaciones de la energa elctrica generada en el pedaleo [9]: cargar bateras - de un

de pedaleo es igual a

B.

El caminar como fuente de energa elctrica

El movimiento humano ms previsible y susceptible de aprovechar en la generacin de energa elctrica, es el acto de caminar o alguna variante del mismo como marchar o correr. La carga mecnica impuesta por el peso de una persona que, alterna de un pie al otro, puede proporcionar la presin necesaria para activar una serie de mecanismos integrados en los zapatos o botas como materiales piezoelctricos, minigeneradores magneto-hidrodinmicos, minigeneradores electromagnticos, etc. Estos mismos mecanismos -con ciertas variantes en su instalacinpueden ser utilizados para generar energa elctrica en lugares pblicos u otros espacios de acumulacin de transentes o automviles. [10]. Materiales Piezoelctricos Los materiales piezoelctricos son cristales sintticos o naturales -que al deformarse- en su interior generan cargas elctricas. El cuarzo (SiO2), en estado natural, es uno de los elementos que mejor conciben la piezoelectricidad. Sin embargo, se han desarrollado materiales con propiedades muy mejoradas como el zirconato titanato de plomo (PLZ) [11]. Los materiales piezoelctricos pueden utilizarse para fabricar baldosas, las mismas que se instalan en el piso en lugares muy transitados. Cualquier superficie que se mueva fcilmente bajo el impacto del caminar de las personas, como las pasarelas, tambin es potencialmente adaptable al uso de estos materiales [11]. Un buen ejemplo de la aplicacin de piezoelctricos para convertir el caminar en energa elctrica, se logra con el esquema implementado por la discoteca holandesa Watt, en el que la energa generada por el pblico al bailar, se utiliza para alimentar las luces incrustadas en el piso mismo (Ver Fig. 8) [12]. Mini generadores magneto- hidrodinmicos Estos dispositivos funcionan usando la presin que se ejerce sobre el piso. Esta presin comprime unas bandas por debajo del piso, las mismas que mueven un fluido a travs de unas mini-turbinas [13]. Los minigeneradores electromagnticos constan de una serie de paneles que sobresalen del suelo un centmetro y medio. Al pasar el trfico, los paneles suben y bajan [13]. El movimiento se transmite a un motor que produce la energa mecnica, la misma que luego ser convertida en energa elctrica. (Ver Fig. 9) [14].

Fig. 8. Pista de baile energizada por materiales piezoelctricos

Mini generadores electromagnticos

Fig. 9. Esquema de generacin de energa elctrica en carreteras con ayuda de minigeneradores electromagnticos

La performance de los minigeneradores electromagnticos mejora considerablemente al ser utilizados para generar energa elctrica en carreteras, autopistas, pistas de desaceleracin, etc. Un buen ejemplo de esta aplicacin es la Electro Kinetic Road Ramp de la empresa inglesa Hughesresearch- una rampa rectangular de varios metros de largo y ancho (Ver Fig. 10). Al pasar el trfico, el movimiento de los paneles es dirigido a los mini generadores electromagnticos. Cada aparato genera unos 30 KW de electricidad por hora; aunque la generacin

vara segn el nmero de rampas, su tamao, la cantidad de vehculos, su peso y la frecuencia de paso. Cuatro de estas rampas seran suficientes para suministrar energa a las farolas, los semforos y dems seales de trfico luminosas en una calle de un kilmetro y medio de largo. Otras propuestas incluyen el mantenimiento de sistemas de calefaccin para combatir el hielo en invierno, la ventilacin en los tneles o para zonas aisladas donde no llega la red elctrica. El sistema funciona cuando el vehculo pasa a una velocidad de entre 5 y 90 km/h, es silencioso, y, no daa a los vehculos, a ciclistas o motoristas [15]. C. El movimiento del brazo como fuente de energa elctrica

proyecto incentiva la educacin y produccin de energa elctrica autosuficiente. [16]

Aprovechar el movimiento de la mano o del brazo de una persona para generar energa elctrica, es otra de las ideas que se prueban. Se han desarrollado pedales de mano o manivelas que utilizan la fuerza muscular de los brazos. D.

Fig. 11. Pedal de mano de la empresa Windstream

El pulsar un botn como fuente de energa elctrica

En este apartado nos referiremos a los dispositivos electrnicos que poseen teclas, botones o pulsadores. Al idea es generar electricidad al ejecutar cualquier accin sobre los pulsadores. La empresa COMPAQ patent en los EE.UU, en 1999, un diseo que permite generar energa elctrica al escribir en un computador porttil (ver Fig.12). La energa generada no es suficiente para suministrar alimentacin de forma constante a la computadora porttil, pero puede ser empleada para recargar la batera secundaria. El dispositivo permite reducir el tamao de las pilas y mejorar su duracin [17].Fig. 10. Rampa cintica para generar energa electica con el paso de vehculos

Entre las principales aplicaciones de este tipo, citaremos al reloj de mano Seiko (Ver Fig. 2), cuya alimentacin depende del movimiento de el brazo, y, a la radio portable Baygen (Ver Fig. 3) activada al girar una manivela mediante traccin manual. Otro ejemplo interesante es el pedal de mano diseado por la empresa Windstream (ver Fig.11). El pedal generador de electricidad es perfecto para situaciones de emergencia, fallas de energa, lugares remotos, y, aplicaciones fuera de la red. Se puede pedalear o girar a mano una manivela para cargar bateras de 12 voltios y accionar pequeos electrodomsticos. Los pedales y las manivelas en este generador son intercambiables. Este

Fig. 12. Computador Compaq energizado al pulsar sus teclas

Otra aplicacin interesante es el interruptor de rayo de la empresa FACE, utilizado para la fabricacin de sistemas de control remoto libres de bateras. Al pulsar los botones del control remoto, se genera energa mecnica que es transformada a energa elctrica con la ayuda de un dispositivo piezoelctrico colocado en cada tecla de dicho control remoto. (Ver Fig.13) [17].

Fig. 14. Esquema de un generador termoelctrico

F. Energa elctrica generada en dispositivos mecnicos de uso cotidiano .Fig. 13. Control remoto energizado al pulsar sus botones

E.

El calor del cuerpo como fuente de energa elctrica

Esta forma de generacin de electricidad pretende aprovechar el uso diario que los seres humanos dan a dispositivos mecnicos como puertas giratorias, torniquetes en estadios o paradas de buses, juegos infantiles, etc., para la generacin de energa elctrica. Puertas giratorias

El cuerpo humano emite energa en forma de calor. La idea entonces es recolectar el calor emitido por el cuerpo humano para suministrar energa elctrica a dispositivos porttiles. Un generador termoelctrico ser el dispositivo capaz de convertir directamente el calor (o energa calrica) en electricidad. En la Fig. 14 se presenta un esquema del proceso de conversin de energa [17]. Se debe elegir las partes del cuerpo humano que ms irradien calor. Por esta razn y por su accesibilidad, se recomienda utilizar el cuello.

Estas puertas ubicadas generalmente en hoteles, centros comerciales, lugares pblicos, etc, pueden ser utilizadas para generar energa elctrica para diversas aplicaciones, si se montan de acuerdo al esquema mostrado en la Fig. 15 [18]. Los componentes bsicos del esquema son: Un ncleo central para aprovechar los giros de la puerta un generador elctrico o un dinamo-. Un sistema mecnico para aprovechar la energa humana desplegada. Los usuarios que proporcionan la energa humana. Un dispositivo de salida al cual se le asigna toda la energa elctrica generada [18]

Fig. 15. Esquema de aprovechamiento de la energa humana disipada en una puerta giratoria

Un primer ejemplo de la aplicacin del esquema fue propuesto por el Grupo Royal Boon Edam que desarroll una puerta giratoria que generar energa elctrica para la estacin de trenes de Driebergen-Zeist, en los Pases Bajos, bajo la referencia de Human Powered Energy [19]. La puerta giratoria desarrollada por Boon Edam, combina el aprovechamiento de la energa humana, el uso de supercapacitores para el storage de energa, la utilizacin de sistemas LED para iluminacin; sistemas de control para un sistema de alimentacin hbrido, sistemas de control de la energa generada; y, un diseo arquitectnico que permite ver claramente los dispositivos utilizados. Juegos infantiles La idea de convertir la energa cintica del juego de los nios en otra forma aprovechable de energa, ha demostrado ser innovadora y viable tal como lo demuestran los trabajos de Empower Playground Brigham Youing University [20] y de The Water for People [21], organizaciones esepcializadas en asistir a los pases en desarrollo a generar energa elctrica y a proveer de agua a las comunidades, respectivamente. (Ver Fig.16) Sin embargo, la tecnologa an requiere ser optimizada a fin de facilitar una mayor conversin de energa, garantizar menores prdidas de energa en los sistemas, todo esto mientras se mejora el ndice ldico de los juegos.

Fig. 16. Juegos infantiles como fuentes de generacin de energa elctrica

V. CONCLUSIONES El cuerpo humano es un depsito de energa humana, la misma que se puede presentar de diversos formatos. La energa humana puede ser aprovechada para generar energa elctrica para abastecer distintas aplicaciones. El tipo de convertidor de energa humana a energa elctrica vara de acuerdo al formato en el que se utilice la energa humana. La cantidad de energa elctrica potencialmente generable depende del formato en el que se utilice la energa humana. VI. TRABAJOS FUTUROS La lnea de trabajo planteada nos llevar a profundizar en el uso de los juegos infantiles para la generacin de energa elctrica como una alternativa vlida para potenciar distintas aplicaciones en zonas carentes de energa elctrica. REFERENCIAS[1] Tecnologa Elctrica, Guirado Asensi Jurado Carpio. [2] A.J. Jansen, A.L.N. Stevels, Human power, a sustainable option for electronics. Delft University of Technology, [en lnea]. Dusponible en [Consulta: 22 de Octubre 2010]. [3] J.C. McCullagh (Ed.), 1977, Pedal Power in Work, Leisure, and Transportation, Rodale Press, Emmaus, PA. [4] Shunmugham R. Pandian, A Human Power Conversion System Based on Childrens Play, Department of Electrical Engineering and Computer Science, Tulane University, New Orleans,[en linea]. Disponible en . [Consulta: 22 de Octubre 2010] [5] A.J. Jansen - I.A. Ruite , Engineering a human powered mp3 player , Delft University of Technology. Faculty of Industrial

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