Trabajo Final de Grado
GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y
AUTOMÁTICA
Módulo de alimentación eléctrica para Slocum Gliders G2
JAVIER ESTELRICH VAQUER
Tutor
Rodrigo Picos Gayá
Supervisor Marc Torner Tomàs
Escola Politècnica Superior Universitat de les Illes Balears
Palma, Noviembre de 2018
ÍNDICE.
GLOSARIO ……….……….6
Capítulo 1. Objetivo principal y motivación del caso proyectado ………..……….7
1.1 Objetivo principal del proyecto………7
1.2 Concepto a proyectar ………..……….7
1.3 Motivación del caso proyectado…..……….7
Capítulo 2. El Slocum Glider en la actualidad ……….………...13
2.1 Concepto de glider ………..……….………...…...13
2.2 Mecanismo de funcionamiento …………...………..……….13
2.2.1 Variación de la densidad respecto al medio de operación…...14
2.2.2 Variación de la posición del centro de masas del glider………....16
2.2.3 Principio de funcionamiento del ala …....………...17
2.3 Descripción detallada de las baterías actuales ………....…...18
2.3.1 Descripción a nivel de sistema ………...18
2.3.2 Descripción detallada por partes ………...…..19
a) Estructura externa del módulo de alimentación …...20
b) Celdas de alimentación actuales ………...21
c) Termofusibles ………...22
2.4 Problemática actual ………....23
Capítulo 3. Módulo de alimentación proyectado ………...…...26
3.1 Definición del proyecto a implementar ……….27
3.2 Fase de diseño del caso proyectado ………...27
3.2.1 Cuerpo del módulo de alimentación ………...………..27
3.2.2 PCBs generadoras de los terminales ………...37
3.2.3 Tapas del módulo de alimentación ………….………...41
3.3 Soluciones aportadas con el caso proyectado ……….………...45
3.4 Nueva problemática ……….………..49
3.5 Fase de validación del prototipo ……….…...50
3.5.1 Pruebas de diseño ……….………….50
3.5.2 Pruebas de conectividad de la PCB positiva ………...50
3.5.3 Pruebas de conectividad entre terminales eléctricos ...51
3.5.4 Test de demanda de corriente DC y constante …….….52
a) Por flor ………....52
b) Por módulo completo ………..53
3.5.5 Test de demanda de corriente DC por intervalos ...…....53
3.5.6 Test de demanda de corriente DC de 4 Ah……….55
3.5.7 Prueba de simulación de campo……….56
Capítulo 4. Fase de impresión del prototipo ……….………..59
Capítulo 5. Análisis económico del caso proyectado ………63
5.1 Análisis íntegro del caso proyectado .……….……..63
5.2 Análisis del coste de producción del módulo de alimentación ……...…...64
Capítulo 6. Agradecimientos ……….65
Anexo. Información adicional………..………..67
Bibliografía ………..71
GLOSARIO.
Silo: Asociación en serie de 4 celdas energéticas (pilas) SAFT LS26500.
Flor: Asociación en paralelo de 5 silos de pilas SAFT LS26500.
Asociación en serie: Forma de conexión entre celdas energéticas ( pilas ) que tiene la peculiaridad de tener el mismo flujo de intensidad de corriente en conjunto que la entregada por cada celda por separado.
Sin embargo, a nivel de tensiones el conjunto de las 4 pilas en serie tiene una caída de tensión igual al montante de las caídas de tensión de cada celda por separado.
Asociación en paralelo: Forma de conexión entre celdas energéticas ( pilas ) que tiene la peculiaridad de tener la misma caída de tensión en conjunto que la entregada por cada celda por separado.
Sin embargo, el flujo de corriente entregado por el conjunto de las celdas en paralelo es igual al montante de la corriente ofrecida por cada una de las celdas por separado.
Balance de presiones: Se conoce como balance de presiones a la presión resultante de sumar vectorialmente todas las fuerzas generadoras de la presión cuando se aplican sobre la superficie donde se estudia su acción.
PCB: Printed-Circuit Board o placa de circuito impreso, es un dispositivo generado a partir de una placa de material conductor, normalmente cobre, sobre la que se imprimen diseños de rutas o caminos a través de los que circula una intensidad de corriente determinada y aislada del resto de pistas con lo que se trata dotar de diferentes funcionalidades con un mismo mecanismo de alimentación eléctrica.
Pad de PCB: Isla de cobre que queda totalmente aislada eléctricamente del resto de material conductor en la cara de la PCB donde se localiza ésta.
Termofusible: Componente electrónico que tiene la funcionabilidad de evitar que las celdas energéticas suministren una corriente superior a la capacidad de soporte de corriente de la carga. Es decir, se emplea como mecanismo de protección frente a sobre-corrientes. Al circular mayor corriente que la máxima soportable por el componente , éste aumenta de temperatura considerablemente hasta que se funde y abre el circuito impidiendo circular la corriente.
Jettison Weight: Es un peso de lastre que el Glider tiene instalado y sujeto a él por un alambre rígido y delgado. En el caso que el Glider detecte que no puede ascender a la superficie por cualquier motivo, se libera del mismo reduciendo drásticamente la densidad del planeador con respecto a la del medio de operación y provocando su ascenso pero manteniendo la nueva densidad sin capacidad de ser modificada.
Ah: Acrónimo que se utiliza para hacer referencia a la unidad de medida de capacidad eléctrica a suministrar con nombre” Amperios por hora”.
Capítulo 1. Objetivo principal y motivación del caso proyectado.
1.1 Objetivo principal.
El proyecto desarrollado tiene como finalidad permitir trabajar con mayor eficiencia a los pilotos de Gliders submarinos, haciendo posible reducir de forma considerable, el tiempo que el Glider permanece en el taller a la espera de la reposición de sus baterías, así como dotar al Glider de un sistema de alimentación caracterizado como “eco-friendly”.
1.2 Concepto a proyectar.
El concepto a desarrollar se fundamentará en la proyección e implementación física de un módulo de alimentación eléctrica funcional para el Slocum Glider, basado en la conexión y asociación mixta de pilas reemplazables al final de su vida útil.
1.3 Motivación del caso proyectado.
En primer lugar, a modo de resumen se contextualizará el proyecto exponiendo, de forma resumida, las necesidades que se tienen y que motivan su desarrollo.
Para poder comprender los motivos o necesidades que justifican el desarrollo e implementación del proyecto, previamente, se debe exponer de forma resumida y no por ello menos detallada, el contexto en el que el proyecto implementado resulta funcional.
Como es sabido los ecosistemas que conforman el planeta están en continuo cambio y desarrollo debido a que existen diferentes factores que influyen en ello y que propician que se generen esos cambios.
Ello supone que se necesite de personas cualificadas para poder estudiar dichos ecosistemas y fenómenos cambiantes, con el fin de poder prever y reaccionar en consecuencia ante esos fenómenos, teniendo como objetivo evitarlos, o en caso de no ser posible, minimizar los efectos que éstos puedan generar. Dichos fenómenos pueden comprender desde la aparición o extinción de especies en diferentes hábitats hasta la generación de fenómenos naturales de tal magnitud como puedan ser volcanes, tsunamis y/o terremotos.
Por tanto, delante la necesidad de solventar dicha incertidumbre para poder adelantarse a estos fenómenos surge la necesidad de estar continuamente estudiando los diferentes ecosistemas que componen el planeta con el objetivo de conocer su evolución y conseguir obrar en consecuencia.
Debido a que el avance de la sociedad está totalmente ligado al de la tecnología, tiene lugar la aparición de mecanismos y máquinas que permiten desempeñar tareas extremadamente complejas o incluso de carácter imposible para los seres humanos.
Con el fin de estudiar el ecosistema marino nacen entes como ICTS SOCIB propietaria de una flota de Slocum Gliders.
La ICTS SOCIB es un Sistema de Observación Costero y de Predicción que se encuentra en las Islas Baleares, una red de infraestructuras abiertas a la colaboración internacional. SOCIB responde a un cambio de paradigma en la observación de los océanos y las costas, una observación que ha pasado de estar centrada en una única plataforma, a una observación empleando múltiples plataformas (boyas, satélites, buques, planeadores autónomos o Slocum Gliders, radares, boyas de deriva, etc.) todas ellas integradas y asegurando una disponibilidad de los datos en tiempo real para investigadores y para toda la sociedad. Este cambio de paradigma es un hecho importante ya que permite ser capaces de responder
a los tres puntos clave identificados por SOCIB en 2009: (1) prioridades científicas, (2) desarrollo tecnológico. (3) capacidad de respuesta a las necesidades de la sociedad.
SOCIB es por tanto un sistema integrado, distribuido y multi-plataforma que proporciona un flujo de datos oceanográficos, servicios de simulación numérica y nuevas tecnologías para apoyar la oceanografía operacional en el marco Europeo e internacional, contribuyendo a las necesidades de la investigación marina y costera en un contexto de cambio climático y cambio global. En línea con EuroGOOS, la oceanografía operacional se entiende en sentido amplio, incluyendo tanto el monitoreo sistemático a largo plazo del océano y su interpretación y difusión, como el suministro continuo de datos multi-disciplinarios para cubrir las necesidades de una gran variedad de científicos y de centros de investigación, sin dejar de lado las prioridades de la sociedad. Todo ello permitirá un aumento cuantitativo a la hora de comprender las preguntas claves sobre los océanos y el cambio climático, sobre los procesos costeros, sobre la variabilidad de los ecosistemas, sobre el aumento del nivel del mar, etc. y nos llevará hacia una gestión costera y de los océanos más basada en la ciencia.
Las contribuciones financieras para las inversiones que SOCIB realiza son proporcionadas por dos socios institucionales, el Ministerio de Ciencia y el Gobierno de las Islas Baleares
De acuerdo con la información citada anteriormente sobre la ICTS SOCIB, se muestran en la siguiente imagen ( ver imagen 1) los diferentes mecanismos y vehículos submarinos tecnológicos empleados para el estudio del ecosistema.
Imagen 1.- Vista de las tecnologías submarinas empleadas por SOCIB.
ICTS SOCIB se organiza en torno a varias divisiones de las cuáles se destacará en este documento la división de observación, ya que está compuesta por vehículos y mecanismos tecnológicos submarinos entre los que se encuentra el objeto de estudio del presente proyecto. El Slocum Glider.
Divisiones de observación.
1. Buque de investigación costero.
2. Radar HF costero.
3. Slocum Glider.
4. Plataformas Lagrangianas.
5. Estaciones fijas.
6. Monitorización a pie de costa.
7. Satélite.
Tal y como se ha comentado en párrafos anteriores, la ICTS SOCIB dispone de una flota de vehículos de alta tecnología submarinos, y conocidos técnicamente como Slocum Gliders, que permiten captar datos (mediante los sensores que llevan instalados a bordo) para hacer un estudio general de las concentraciones de oxígeno y la estratificación del agua marina atendiendo a su temperatura, presión y/o salinidad a diferentes profundidades.
Otro tipo de misión que interesa a los investigadores, para la que se utilizan estos vehículos submarinos de control remoto, consiste en hacer un seguimiento de las condiciones de temperatura, presión, oxígeno, densidad y clorofila en las que habita la fauna marina. Es útil captar los valores de las condiciones donde habita una especie de fauna concreta con el objetivo de conocerlas y reproducirlas lo más exacto posible en las piscinas o estanques de recuperación de fauna marina en los centros autorizados.
Para llevar a cabo, el seguimiento comentado en el párrafo anterior se procede a instalar una variante de baliza GPS en el caparazón de una tortuga marina al final de la fase de curación y rehabilitación.
Una vez la tortuga es devuelta a su hábitat natural se lanza y dirige el glider hacia la última posición reportada por la tortuga antes de sumergirse de nuevo.
A continuación (ver imagen 2), se muestra el recorrido de seguimiento realizado y reportado por la unidad ICOAST00 durante la campaña o misión :
SOCIB_GLIDING-TURTLE_JULY2016 (GF-MR-0047)
Imagen 2.- Seguimiento y recorrido de una tortuga marina en la misión de Julio de 2016.
Imagen 3.- Lanzamiento del Slocum Glider y vuelta de la tortuga marina con GPS durante la misión de Julio de 2016.
Complementando la imagen de seguimiento y de recorrido mostrada anteriormente (imagen 2) , se procede a mostrar parte de los reportes obtenidos y muestreados durante el transcurso y desarrollo de la misión (ver imagen 4).
Imagen 4.- Datos y valores de temperatura y salinidad recogidos durante la misión de Julio de 2016.
Ante la situación de tener que estudiar el ecosistema submarino con las finalidades comentadas en párrafos anteriores, aparecen los Slocum Glider, que se estudiarán con mayor profundidad en el siguiente capítulo.
Debido al concepto novedoso que implican los Slocum Glider , los escasos fabricantes que existen (su exclusividad) y a la localización de éstos (pues el fabricante oficial, Teledyne, tiene ubicada su sede en U.S.A.) los sistemas de alimentación de cada Slocum Glider tienen un coste muy elevado, pero no sólo eso, sino que también para la adquisición de un producto de dicha índole se requiere una espera temporal muy elevada hasta su recepción.
Ello ocasiona que el Slocum Glider esté parado en el laboratorio o bien en el almacén a la espera de la reposición de sus módulos de alimentación, y por tanto, se pierdan bienes económicos derivados de su no utilización.
En resumen, el Slocum Glider cuando realmente amortiza su elevado coste de adquisición es mediante la operación de misiones, es decir, navegando y captando datos.
Cabe añadir que desde el punto de vista del cuidado del medioambiente, instalando y empleando el prototipo de batería que se pretende generar, se consigue un gran avance respecto a los sistemas de alimentación actuales, debido a que de éstos no se reutiliza ninguno de sus componentes por estar compuestos por plásticos retráctiles, cables, siliconas y componentes electrónicos que una vez finalizada su vida útil se tiran y en consecuencia se generan residuos de difícil tratamiento y eliminación.
Mediante el diseño implementado se consigue reutilizar todos los componentes y minimizar los residuos. Únicamente no se reutilizan las pilas y en consecuencia para ser tratadas son enviadas a empresas especializadas en el tratamiento de litio.
Otro motivo por el que se decidió llevar a cabo la implementación del caso estudiado es porque mediante la PCB positiva, como que los silos están dispuestos en agrupaciones de 5, se posibilita escoger la cantidad de capacidad que puede proporcionar el módulo de baterías con el objetivo de ajustarse lo máximo posible a las especificaciones de la misión a desempeñar y sobre todo a su duración. Ello posibilita definir misiones de diferente duración y por tanto consumir sólo energía de un número de pilas determinado. Consiguiéndose así, tener siempre el módulo de alimentación cargado al 100% antes de iniciar una misión y consumir totalmente su batería.
Actualmente, si un Glider no finaliza la misión por cualquier motivo (aborte por deficiencias en sus mecanismos, detección de errores, etc ) sus baterías son consumidas de forma parcial, y ya no pueden ser utilizadas para desempeñar misiones estándar. Por ello, dejan de ser útiles y/o para ser reutilizadas necesitan de una modificación y un ajuste en la duración de las misiones a desempeñar proporcional a la capacidad que les resta.
La selección de la configuración de los silos de pilas funcionales para cada misión se realiza a nivel de hardware. Es decir, se han implementado unos latiguillos conectores que permiten seleccionar una de las siguientes configuraciones de silos:
• Todo-Nada
Las 5 “flores” (ver glosario) se conectan entre sí en paralelo. Todas ellas intervienen en el suministro de energía al Slocum Glider. Dicha configuración tiene especial utilidad para el desarrollo de misiones estándar.
• Cuatro a Uno
Formados por 5 “flores” de silos (ver glosario). Dispuestas en dos circuitos independientes. El primero está compuesto por la conexión en paralelo de 4 flores, a dicho circuito se le denomina principal. El
segundo circuito está formado por una sola agrupación de 5 silos conectados entre sí en paralelo, y en este caso recibe el nombre de circuito auxiliar.
Se decide implementar esta configuración para poder destinar una agrupación de 5 silos de pilas a un circuito de emergencia que únicamente será utilizado en el caso que el circuito principal deje de suministrar corriente, con el fin de evitar que el Slocum Glider quede a la deriva sin poder establecer comunicación con los pilotos.
• Tres a dos
Formados por 5 “flores” (ver glosario) . Dispuestas en dos circuitos independientes. El primero está compuesto por la conexión en paralelo de 3 flores, a dicho circuito se le denomina principal. El segundo circuito está formado por dos agrupaciones de 5 silos cada una, conectadas entre sí en paralelo, y en este caso recibe el nombre de circuito auxiliar.
Esta otra configuración es útil en caso que se necesite alimentar nuevos sensores que se decidan añadir al Slocum Glider en la bahía de ciencia.
Capítulo 2. El Slocum Glider en la actualidad.
2.1 Concepto del Slocum Glider.
El Slocum Glider es una máquina (o conjunto de mecanismos y dispositivos ensamblados de forma lógica), que tiene por objetivo principal la captación de datos científicos en medios de difícil acceso para los seres humanos debido a las restricciones que éstos tienen por naturaleza (ver imagen 5).
La captación de los datos se realiza a través de sensores que el Slocum Glider lleva ya instalados.
Cabe destacar que el mecanismo de funcionamiento de los Slocum Glider y que por extensión les dota de dicho nombre, consiste en variar las condiciones físicas que éste tiene respecto a las del medio de navegación consiguiendo así generar efectos y fenómenos que combinados de forma lógica provocan el desplazamiento de la máquina.
Por tanto, es importante destacar que los Slocum Glider, no tienen la necesidad de ser propulsados para poder desplazarse en el medio en el que están destinados a operar, lo que conlleva que la duración de las misiones de operación pueda extenderse alrededor de 50 días, ya que, los mecanismos de propulsión comportan una gran consumo de energía.
Imagen 5.- Vista lateral superior de una unidad Slocum Glider durante la fase de trasporte.
2.2 Mecanismo de funcionamiento del Slocum Glider.
El funcionamiento de los Slocum Glider se basa en la combinación de dos fenómenos físicos básicos asociados a dos magnitudes físicas que están estrechamente relacionadas: la densidad y la masa de un cuerpo.
Combinando de forma lógica variaciones en la densidad del Slocum Glider, (respecto a la del fluido donde éste opera), y en la posición del centro de masas del Slocum Glider, se consigue que el Glider opere como tal y en consecuencia navegue y se desplace en dicho medio.
Se procede a continuación a explicar brevemente cada uno de los fenómenos responsables de la navegación del Glider.
2.2.1 Variación de la densidad respecto al medio de operación.
Como se ha comentado en párrafos anteriores para la navegación del Glider se precisa generar y combinar dos fenómenos físicos. Uno de ellos es la variación de la densidad del Glider respecto a la del medio de operación.
Es importante comentar que para que dicho fenómeno provoque el efecto deseado en el Glider, se precisa de haber realizado previamente una calibración exhaustiva de la densidad del mismo equilibrándola a la del medio en el que va a operar. Dicha densidad se va a obtener de los muestreos que los científicos obtienen diariamente de las aguas donde está destinado a operar.
Para ajustar la densidad del Slocum Glider a la del medio de operación se procede a añadir o retirar mecanismos del Glider cuya única finalidad es incrementar o decrementar la masa del mismo.
A esta fase en la que se añade o sustrae masa del glider se le denomina como “Ballasting”.
Es necesario precisar que esta es una fase crítica en la preparación del Glider para el lanzamiento y desarrollo de una misión, pues en el caso que la densidad del glider (en estado de máxima flotación) sea mayor que la del medio de operación, impedirá que el glider pueda ascender a la superficie ( sin declarar emergencia ), es decir, sin lanzar el “Jettison Weight” (ver glosario). Por tanto, ello impediría que el glider estableciera contacto con los pilotos, o en caso de desprenderse del “Jettison weight” (ver imagen 6), impediría que pudiera continuar con el desarrollo de la misión una vez se hubiera establecido comunicación con los pilotos, quedando a la deriva sin posibilidad de sumergirse.
Imagen 6.- Desglose por partes de una unidad Slocum Glider.
Ahora bien, el proceso de modificación o variación de la densidad respecto a la del medio de operación se consigue mediante el accionamiento de varios actuadores combinados de forma lógica, y cuyo proceso de accionamiento se describe a continuación.
Debido a que el volumen del Slocum Glider (una vez ensambladas todas sus partes) es “constante” , se obtiene que la densidad del Glider únicamente variará proporcionalmente a la masa del mismo. Por tanto, mediante la adición o la sustracción de la misma, se consigue equiparar la densidad del Glider a la del medio de operación, generando así que éste quede neutro con la densidad de dicho medio.
Cabe destacar que un cuerpo se encuentra neutro en densidad respecto a un medio, cuando el cuerpo no tiene exceso de peso ni tampoco exceso de flotabilidad.
Una vez se equipara la densidad del Glider a la del medio de operación, el descenso o aumento de la densidad del Glider permitirá variar cualquiera de los dos parámetros (flotabilidad o peso) y en consecuencia, se generará un ascenso o sumersión del mismo.
Para variar la densidad del Glider (una vez ensamblado, sin posibilidad de apertura para modificar su masa) se procede a variar su volumen interno. Entonces, para variarlo, se precisa de una cavidad vacía delimitada por una parte móvil o bien flexible.
Por ello, los Slocum Glider constan de una membrana de goma (flexible) que va adoptando una forma determinada, que se obtiene como resultado de un balance de presiones sobre ella. Éste es establecido entre la presión externa (generada por el medio sobre dicha membrana) y la presión interna (provocada por la inyección de fluido, aceite, dentro de la cavidad delimitada por dicha membrana).
Por tanto, en función de si la presión que hace el fluido inyectado (aceite) en la cavidad es mayor que la que ocasiona el medio de operación sobre la membrana, se aumentará el volumen interno del Glider o por el contrario se reducirá, generando así una variación de densidad en el Glider, y en consecuencia produciendo un aumento o reducción de la flotabilidad (ver imágenes 7 y 8).
Imagen 7. Variación de la densidad del Glider en fase de inmersión.
Imagen 8. Variación de la densidad del Glider en fase de salida a superficie.
Sin embargo, únicamente con este fenómeno no se puede implementar el concepto de Glider, es decir, necesita combinarse con una variación de la posición del centro de masas respecto a la posición de equilibrio.
2.2.2 Variación de la posición del centro de masas del Glider.
Este fenómeno tiene por objetivo conseguir variar la posición del centro de masas del Glider respecto a la posición de equilibrio para conseguir generar así una variación de la inclinación del mismo respecto a la horizontal y poder describir la trayectoria a seguir.
Para conseguir variar la posición del centro de masas del Glider se procede a desplazar la batería de Pitch (ver imagen 6) de 9’608 kg entorno a la posición de equilibrio. En consecuencia, si se desplaza hacia atrás (en sentido hacia la cola del Glider) se consigue una inclinación (ángulo de orientación respecto al eje horizontal positivo) mientras que si por el contrario se desplaza la batería hacia la parte delantera del Glider se consigue una declinación, ángulo de orientación respecto al eje horizontal negativo (ver imagen 9).
Imagen 9.- Variación del centro de masas del Glider.
Todo ello combinado de forma lógica con el fenómeno descrito en el punto anterior, la variación de la densidad del Glider respecto a la del medio de operación, permite a los Slocum Glider funcionar como planeadores submarinos y desplazarse.
Lógicamente, estos fenómenos necesitan combinarse con el fenómeno físico que se conoce como “ principio de funcionamiento del ala ” o bien “Principio de Bernoulli” para poder ascender a la superficie.
Destacar que el grado de inclinación y/o declinación para navegar idóneamente es de ± 26 ° con respecto al eje horizontal.
2.2.3 Principio de funcionamiento del ala.
El principio de funcionamiento del ala, fenómeno conocido físicamente como principio de Bernoulli, se basa en crear una diferencia de presiones sobre la superficie del ala del Glider derivada de una diferencia de velocidades del fluido que fluye por ambas caras del ala.
La velocidad con la que fluye el fluido por la parte superior del ala es considerablemente mayor a la del fluido que circula por la cara inferior de la misma, se genera entonces, una presión mucho mayor en la cara inferior del ala que la generada en la cara superior (ver imagen 10).
Imagen 10.- Principio de Bernoulli aplicado a la flotabilidad de una aeronave.
Por ello el balance de presiones da como resultado una presión ejercida verticalmente y con sentido hacia arriba sobre la cara inferior del ala, ocasionando así una fuerza resultante inclinada (o declinada en caso de fase de descenso) que ayuda a realizar la maniobra de ascenso (o descenso) del Glider de forma uniforme (ver imagen 11).
Imagen 11.- Balance de presiones ejercido por la diferencia de velocidades del fluido a ambos lados de del ala en fase de ascenso.
Para información más detallada sobre el principio de funcionamiento del Slocum Glider consultar la dirección electrónica que aparece en el apartado de bibliografía.
Finalmente, es preciso comentar que el objeto de estudio del presente proyecto se fundamentará en la proyección e implementación física de un módulo de alimentación eléctrica apto para Slocum Glider G2, basado en la conexión y asociación de pilas reemplazables al final de su vida útil, dotado de carácter eco-friendly.
2.3 Descripción detallada de las baterías actuales.
2.3.1 Descripción a nivel de sistema.
La flota de la ICTS SOCIB, en la actualidad, utiliza como fuente de suministro de energía a los planeadores submarinos o Slocum Glider dos tipos de baterías que difieren bastante unas de las otras.
El primer tipo de batería es la proporcionada por el fabricante oficial y proveedor de los Slocum Glider, Teledyne Electrochem (ver imagen 12) cuya capacidad nominal es entorno a 700 Ah , debido a que el tipo de pilas que componen la batería son de tipo D, por tanto con mayor capacidad de suministro de energía que las de la alternativa.
Imagen 12.- Pack de baterías de Pitch y Roll generadas por el fabricante y distribuidor oficial de los Slocum Glider, Teledyne.
El segundo tipo de batería que se utiliza es una ensamblada por los integrantes de la Glider Facility de SOCIB, los cuáles reciben subpacks de batería (o conocidos técnicamente como “Wraps”) comprados a la empresa italiana Eltec (ver imagen 13), y que al ensamblarlos físicamente y conectarlos en paralelo entre sí consiguen generar dos módulos de baterías de dimensiones ligeramente menores y con una capacidad nominal de suministro considerablemente menor en comparación a las baterías del distribuidor oficial. Ello, es debido a que dicho proveedor italiano (Eltec) para la generación de los
“wraps” utiliza pilas de tipo “C” que tienen una dimensión y una capacidad de suministro de energía considerablemente inferior.
Imagen 13.- Diagramas eléctricos implementados para la batería de Pitch proporcionados por el distribuidor italiano (Eltec).
El motivo de adquirir el segundo tipo de batería radica en que ello supone un ahorro económico considerable por menor trabajo de ensamblaje (por parte del proveedor) y por una distancia de transporte menor, en comparación con el distribuidor oficial, pero sobretodo por una reducción considerable del tiempo de espera transcurrido desde el encargo hasta la recepción de la mercancía. Ello, motiva a considerar como asumible la reducción de la capacidad de suministro de energía de los módulo ensamblados respecto a los del distribuidor oficial.
2.3.2 Descripción detallada por partes.
Para describir y documentar cualquier mecanismo y/o dispositivo se precisa de realizar una fase de documentación técnica y estudio minucioso de todas las partes y/o componentes que forman el mecanismo a estudiar.
Por ello, se ha creído conveniente empezar estudiando y recabando valores de forma minuciosa sobre el dispositivo a proyectar no sólo desde el punto de vista de diseño, sino que también desde el punto de vista de resistencia mecánica y de las especificaciones eléctricas.
Antes de profundizar en el estudio minucioso de las baterías y los componentes de las mismas, cabe comentar el tipo de módulo de batería que se ha decidido implementar. Como se ha comentado en el capítulo referente al Slocum Glider, éste está dotado de dos módulos de baterías conectados en paralelo entre sí. El módulo de Pitch (además de suministrar energía es el responsable del cabeceo o inclinación que experimenta el Glider durante su fase de navegación) y el módulo de Roll cuya funcionabilidad se reduce únicamente al suministro de energía.
En este proyecto se ha decidido implementar el módulo de Pitch, por la doble funcionabilidad que tiene y por consiguiente ser más interesante. Por tanto, se emplazará el diseño e implementación del módulo de alimentación de Roll como un proyecto futuro y posterior al de Pitch.
Una vez escogido y citado el tipo de módulo de alimentación a proyectar, se procede a desensamblar un modelo de baterías actual y funcional sobre el que a medida que se va avanzando en el desensamblado del mismo , se estudian los tipos de conexiones que existen entre las celdas de suministro energético (comúnmente conocidas como “pilas”) que componen el módulo de alimentación.
Una vez desmontadas las baterías, se procede a tomar medidas y documentar numéricamente todas las piezas que componen dicho módulo de alimentación.
a) Estructura externa del módulo de alimentación.
Consiste de una estructura que determina los límites y dimensiones máximas del módulo de alimentación a proyectar, y que en ningún caso se podrán exceder debido a que se conoce que dichas dimensiones son las que proporciona el fabricante oficial de las baterías y en consecuencia son funcionales, es decir, se tiene la certeza que con las mismas el vehículo funciona de forma óptima.
Comentado esto, cabe citar que la estructura determina la forma geométrica que tendrá el módulo a implementarse (ver imagen 14).
Imagen 14-. Estructura completa de batería de Pitch a proyectar.
Tal y como se ha comentado en el apartado de “descripción a nivel de sistema” se puede observar en la imagen 13 que el módulo de alimentación de Pitch actual está formado por el ensamblaje en paralelo de los sub-módulos de alimentación o “wraps” adquiridos del proveedor italiano (Eltec). Ello supone que al final de la vida útil del pack, al estar los componentes que forman éste electro-soldados, no se reutilizan y por ello se generan una gran cantidad de residuos de difícil eliminación y tratamiento, lo cuál es uno de los inconvenientes que pueden extraerse de la tecnología actual y que se citarán en el apartado respectivo.
b) Dispositivos de alimentación.
Los dispositivos de alimentación se componen por la unión en serie de 2 “wraps”, cada uno de ellos está implementado por 5 asociaciones de pilas en serie, conectadas entre sí en paralelo. Cada una de ellas está compuesta por 2 pilas de 3’6 V . Por tanto, al conectar dos “wraps” en serie se obtiene una diferencia de potencial entre los extremos del mecanismo de alimentación de 14’4V.
Imagen 15 - . Mitad del dispositivo de alimentación (Wrap).
Finalmente cabe comentar que para protegerlas de posibles entradas de corrientes inversas, cada dispositivo de alimentación, tiene conectado en serie un diodo de forma que se impide el flujo de corrientes inversas evitando así efectos no deseados.
Habiendo caracterizado el dispositivo de alimentación o “wrap”, se procede a caracterizar cada una de las pilas que lo componen, así como el diodo utilizado para evitar las corrientes inversas.
Para poder desensamblar las pilas se debe prescindir de la placa conductora electro-soldada mediante la tecnología conocida como “soldadura de punto” o “Spotwelding” (ver imagen 16).
Imagen 16-. Pila de litio Saft de composición Li-SOCL2 de 3.6 V
Imagen 17-. Pila desensamblada de litio Saft de composición Li-SOCL2 de 3.6 V.
c) Termofusibles.
Los módulos de batería actuales tienen 1 termofusible (ver imagen 18) conectado en serie con el diodo de protección frente a entrada de corrientes inversas, instalado también en la salida de cada conjunto de 5 silos de pilas o “flor”, con el único objetivo de impedir que el Slocum Glider , que se comporta como una carga desde el punto de vista de la batería, solicite consumir una corriente mucho mayor a la máxima que puede aportar cada pila y así evitar que la celda de alimentación trabaje por encima de sus posibilidades incrementando su temperatura sobre la máxima asumible , evitando así que se produzca un efecto no deseado derivado de un sobrecalentamiento del litio.
Imagen 18 -. Esquema del interno del termofusible conectado a la salida de cada “flor” de 5 silos de pilas.
Habiéndose descrito el motivo para el se instalan dichos mecanismos, es preciso comentar el principio básico de funcionamiento del termofusible.
El funcionamiento del termofusible se basa en un material semiconductor localizado en el interior del mecanismo a través del que circula la corriente eléctrica. Para el correcto funcionamiento del mismo (como un cortocircuito), la corriente que circula por él, deberá ser menor o igual que la intensidad nominal máxima soportable proporcionada por el fabricante. En el instante en el que la intensidad que
fluye a través del semiconductor es superior a la máxima permisible, éste empieza a aumentar su temperatura hasta alcanzar el punto de fusión. Una vez se funde, el termofusible pasa a actuar como un interruptor del circuito eléctrico en estado OFF (abierto) . Con ello, evita el paso de la corriente a través de él y aísla el circuito impidiendo que la “flor”, a la que está conectado, suministre una sobre-corriente a la carga y la dañe.
Es preciso comentar que el dimensionado del termofusible a instalar es posterior al cálculo de la máxima corriente que puede soportar la carga, o bien, al cálculo de la corriente máxima que puede suministrar cada agrupación de pilas.
2.4 Problemática actual.
Como se ha comentado en capítulos anteriores el desarrollo y ejecución del presente proyecto viene motivado principalmente para intentar dar solución a la problemática que tienen los módulos de alimentación actuales. Los problemas que presentan aparecen detallados a continuación.
2.4.1 Coste de adquisición elevado.
Debido a la novedad y exclusividad de los Slocum Glider (sobretodo a nivel europeo) los fabricantes y proveedores oficiales de los mismos (como por ejemplo Teledyne) atribuyen un gran valor a cualquier tecnología que tengan registrada y con la que deseen comercializar.
Además, a ése elevado valor que le atribuyen, se le debe adicionar el correspondiente importe derivado del transporte desde USA hasta Baleares. Y si se le añade que se trata de una mercancía (que actualmente es catalogada como peligrosa) como es el litio, ello conlleva un coste superior. Dicho coste adicional, es debido a que al ser una batería de litio de gran tamaño (según IATA es considerado batería de gran tamaño aquella que pueda proporcionar más de 160 Wh y la capacidad nominal que es capaz de suministrar un pack de Pitch actual es de 231 Ah o lo que es lo mismo 3326 Wh) de ser embalada y transportada como carga según la Reglamentación para el transporte de mercancías peligrosas de IATA.
Por ello, adquirir un módulo de alimentación de Pitch al proveedor oficial requiere un desembolso económico considerable, por valor de 8400 USD o lo que es lo mismo 7366 Euros .
Mediante la alternativa de comprar el pack a la empresa proveedora de sub-packs de alimentación eléctrica italiana Eltec, se obtiene que el coste de un pack de Pitch es de 1200 Euros, al que se le debería sumar el coste de una jornada laboral de un integrante de la Glider-Facility para hacer el ensamblado y testeo del pack en cuestión. Lo que comporta suponiendo que el salario es de 10 Euros/hora , un coste adicional de 80 Euros. Por tanto, el coste final de obtención de un pack de Pitch es aproximadamente de 1280 Euros.
2.4.2 Espera temporal hasta recepción.
A raíz de lo comentado en el apartado anterior, se deriva que al ser una mercancía de las características del litio, requiere de unos trámites administrativos y aduaneros a realizar adicionales a los que se realizan comúnmente.
Por todo lo comentado anteriormente, la recepción del módulo de alimentación encargado se demora hasta los 20-22 días (cuando se compra desde el fabricante oficial). Por consiguiente, el planeador submarino, permanece almacenado a la espera de la reposición de sus módulos de alimentación sin estar en servicio.
Por ello, los integrantes de la Glider-Facility de SOCIB, buscaron un proveedor de sub-módulos de alimentación con las mismas características con la intención de reducir el tiempo de espera de la unidad y darle un mayor uso que es cuando el Slocum Glider realmente amortiza su elevado coste de adquisición.
Si bien es cierto que con la solución propuesta anteriormente, el coste de adquisición de un pack de baterías de Pitch se redujo considerablemente (entorno a unos 6086 Euros menos que el adquirido desde el fabricante oficial). Aún así no es rentable pues la espera temporal que supone adquirirlo por la alternativa propuesta es mucho mayor (alrededor de 40-90 días) y con ello la unidad permanece parada a la espera de su reposición haciendo que el periodo de amortización de su adquisición se extienda considerablemente.
Ello motiva el realizar una investigación sobre las alternativas que se podrían afrontar para reducir el tiempo de reposición de las baterías. Finalizado dicho estudio se llega a la conclusión de la necesidad de desarrollar el caso proyectado, que se explicará con más detalle en el siguiente capítulo.
2.4.3 Impacto medioambiental.
El pack de baterías de Pitch actual, tanto si es adquirido desde el fabricante y distribuidor oficial ( ya ensamblado ) como si es adquirido por el proveedor alternativo de sub-packs de baterías eléctricas italiano, tiene el inconveniente que ninguno de los componentes que los forman es reutilizado. Es decir, se generan una gran cantidad de residuos mayoritariamente plásticos y cableado que son de difícil eliminación y las formas que hay de eliminarlos son muy contaminantes.
Por ello, cabe remarcar que actualmente de los packs de baterías que se adquieren no se reutiliza nada y por consiguiente se generan una gran cantidad de residuos.
Como se verá en el siguiente capítulo, la solución adoptada permite caracterizar los packs de Pitch como sistemas de alimentación eléctrica “Eco-friendly”, es decir, se reutilizan todos los mecanismos y componentes así como sus estructuras plásticas haciendo desaparecer los residuos derivados del final de vida útil.
2.4.4 Obsolescencia de baterías alcalinas.
Las unidades Slocum Glider que forman la flota de SOCIB tienen la posibilidad de operar en modo alcalino o de litio, es decir, dependiendo del tipo de batería que se le conecta para suministrarle corriente al dispositivo planeador, se deben cargar unos parámetros de recorrido de accionamientos y navegación u otros, puesto que existe una gran diferencia entre un tipo de batería y otro.
Las principales diferencias radican en:
• Autonomía del Glider.
Si el planeador submarino es alimentado eléctricamente mediante una batería de litio la autonomía de éste navegando en condiciones estándar aumenta considerablemente en comparación a si por el contrario, se alimenta por una batería alcalina.
De acorde a lo anterior es necesario destacar que un Glider con alimentación de litio tiene una autonomía hasta 3 veces mayor que la misma unidad alimentada por una batería de tipo alcalino.
Como se puede observar de la comparativa de las siguientes gráficas (ver imágenes 19 y 20) una celda de alimentación eléctrica ( llamada comúnmente como pila) de litio es capaz de suministrar su máximo nivel de voltaje de forma continuada durante 20-25 horas.
Sin embargo , una pila de tipo alcalina puede mantenerse a su máximo nivel ( por encima del 80 % de su capacidad nominal) apenas unas 12-15 horas.
Como puede observarse las pilas de litio tienen mayor tiempo de vida útil a máximo voltaje y si eso se extrapola a la aplicación que es objeto de estudio, se puede concluir que los packs de litio tienen una autonomía mucho mayor a los alcalinos tal y como se había comentado en párrafos anteriores.
Imagen 19.- Gráficas de comportamiento de las pilas de litio Saft C 3’6V cuando se someten a diferentes cargas.
Imagen 20.- Gráficas de comportamiento de las pilas de alcalinas Industrial C 1’5V cuando se someten a diferentes cargas.
Dado que los consumidores de este mercado se han dado cuenta que utilizar baterías de litio es mucho más ventajoso y rentable que utilizar las alcalinas, los fabricantes oficiales de las unidades Slocum Glider (Teledyne) están avanzando inexorablemente hacia kits de batería (formados por un pack de Pitch y un pack de Roll) de reacción química a base de litio.
Así pues y con el objetivo de no quedar obsoletos ni a corto ni medio plazo, el desarrollo del caso práctico proyectado será diseñado para la configuración de litio.
• Asociación de pilas dentro de cada sub-pack de alimentación eléctrica.
A nivel interno también existen notables diferencias entre el módulo de alimentación generado a base de litio y el alcalino. Desensamblando cada sub-pack de alimentación se puede observar, a simple vista, que no sólo las celdas energéticas son diferentes desde el punto de vista de las especificaciones técnicas,
sino que también existe una gran diferencia en la forma con la que se organizan y conectan entre ellas con el objetivo de lograr conseguir entre los terminales una caída de tensión de 14’4 V.
a) Sub-pack de alimentación alcalino.
El sub-pack de alimentación alcalino está formado por una asociación de 10 pilas conectadas en serie entre sí. Cada una de esas celdas de alimentación eléctrica tiene una caída de tensión entre sus terminales de 1’5 V. Por tanto, al estar conectadas en configuración serie, el montante de la caída de tensión entre los terminales del sub-pack alcalino es de 15 V.
Análogamente se procede a analizar la intensidad de corriente que permite entregar cada celda energética por separado. Partiendo que el fabricante asegura que la corriente máxima que puede proporcionar una pila de forma continuada es de 150 mA, como que el sub-pack está formado por 10 pilas conectadas en serie entre sí, se deduce que la corriente máxima a suministrar por el sub-pack es de 0.15 A.
Si ahora se calcula la potencia que podría suministrar dicho sub-pack se obtiene un valor aproximado de:
P = V · I = 1’5 · 0’15 = 2’25 W b) Sub-pack de alimentación de litio.
De igual forma a como se ha caracterizado el sub-pack alcalino en los párrafos anteriores, se procede a caracterizar el sub-pack litio proporcionado por el proveedor italiano (Eltec).
Cada sub-pack de alimentación basado en litio, a nivel interno, está formado por 5 asociaciones independientes de 4 pilas en serie cada una. Cada una de las pilas que forman cada asociación en serie tiene una caída de tensión entre sus terminales de 3’6 V. Por ello, la caída de tensión entre los terminales de cada asociación de las 4 pilas en serie es de 14’4 V.
A su vez, las 5 asociaciones de 4 pilas en serie comentadas se conectan entre ellas en paralelo, motivo por el que la tensión entre los terminales de la conexión en paralelo es exactamente la misma que la de cada una de las 5 asociaciones independientes por separado.
Análogamente a como se ha procedido con el sub-pack alcalino, se procede a obtener la corriente máxima que una celda energética puede suministrar de forma continuada. Del “datasheet” del fabricante se obtiene que la intensidad máxima nominal que puede suministrar cada pila es de 150 mA. Por ello, cada asociación independiente de 4 pilas en serie puede proporcionar o suministrar una intensidad de corriente máxima de 150 mA de forma continuada.
Ahora bien, a diferencia del alcalino, éste tiene la peculiaridad que al tener las 5 asociaciones independientes de 4 pilas en serie conectadas en paralelo, la intensidad de corriente máxima resultante que puede proporcionar el paralelo es de 0,75 mA.
Por ello, si ahora se calcula la potencia o energía que puede suministrar el sub-pack de alimentación de litio se obtiene que es de :
P = V · I = 14’4 · 0’75 = 10’8 W
Finalmente, se puede concluir que el motivo de la asociación mixta llevado a cabo para implementar el sub-pack de litio radica en que se puede conseguir una mayor capacidad de energía a suministrar con el mismo número de celdas energéticas.
Capítulo 3. Módulo de alimentación proyectado.
El objetivo de este capítulo radica en dar a conocer y explicar detalladamente el caso proyectado. En él, se van a tratar los aspectos generales que definen el proyecto, seguidamente de las mejoras que se consiguen con su ejecución, en tercer lugar las fases de las que se ha compuesto el proceso de desarrollo e implementación, para finalmente acabar con una descripción de las diferentes pruebas que se han ejecutado hasta alcanzar la validación del módulo de alimentación diseñado.
3.1 Definición del proyecto a implementar.
El proyecto que se desarrolla consiste en el diseño y generación de un módulo de baterías de Pitch apto para el suministro de energía para las unidades de Slocum Glider G2 que dispone la empresa ICTS SOCIB.
El motivo principal del estudio de investigación previo, y del posterior diseño y ejecución no es otro que solventar la problemática que tienen los módulos de alimentación eléctrica con los que actualmente funcionan los Gliders y que ha sido expuesta en el capítulo anterior.
3.2 Fase de diseño del caso proyectado.
En el capítulo 2, dónde se detallan todas las partes que componen un módulo de alimentación eléctrica actual, se proceden a tomar valores de las dimensiones externas que tienen los módulos actuales con el objetivo de diseñar el que finalmente se proyecta, pero sin exceder nunca dichos valores.
Para la implementación del diseño se ha utilizado el software “SolidWorks 2013”, y debido a su no frecuente utilización hasta el desarrollo del presente proyecto se debió realizar un breve estudio previo de los aspectos básicos del mismo.
Nótese que el diseño del módulo de alimentación proyectado se ha llevado a cabo en tres subfases.
3.2.1 Diseño del cuerpo del módulo de alimentación.
En primer lugar, se empieza a desarrollar la pieza general, que compondrá la estructura del cuerpo del módulo de alimentación.
Ahora bien, ésta, se implementa siguiendo escrupulosamente las restricciones geométricas obtenidas durante la fase anterior para certificar así, que una vez implementada, será funcional al menos desde el punto de vista geométrico.
Como es lógico el diseño del cuerpo del módulo de alimentación a proyectar sufre modificaciones desde el primer hasta el último diseño, que es el validado.
Previamente a comentar los diferentes diseños realizados, descartados y/o mejorados hasta la consecución del definitivo, se deben citar las propiedades con las que se debe dotar al módulo de alimentación proyectado a fin de conseguir que sea un prototipo funcional y que por tanto dichas propiedades condicionan los diseños a implementar.
a) Propiedades mecánicas.
Debe estar dotado de una resistencia mecánica que permita desarrollar su doble función (alimentación energética e inclinación para navegación) sin correr riesgo de ruptura ante cualquier esfuerzo mecánico que tenga que soportar dentro del medio de operación.
Debe tenerse en cuenta que el esfuerzo mecánico a soportar viene únicamente generado por el peso que ejercen las pilas sobre la estructura o armadura contenedora del módulo de alimentación. Teniendo en
cuenta que el peso de la batería es de 9’608 kg, se debe proceder a dotar al módulo de alimentación de paredes internas con un grosor adecuado con el que cumplir dichas especificaciones.
b) Propiedades eléctricas.
Debido a que el desarrollo de dicho módulo de baterías tiene por finalidad última conseguir reducir el tiempo de recambio de las baterías manteniendo la misma capacidad, y en consecuencia conseguir que el Glider realice el mayor número de misiones posible, se debe tratar de mantener un nivel de energía, a proporcionar durante la misión, semejante al actual o bien en su defecto lo más similar a éste.
c) Propiedades de robustez.
Se pretende que el caso proyectado debido al elevado grado de influencia que tiene sobre el funcionamiento correcto del Glider, que sea robusto, es decir, que en ningún momento se pueda producir una interrupción de la alimentación del planeador submarino. Para ello, se precisa de desarrollar una estructura con un mecanismo de conexionado eléctrico y de rigidez física adecuado.
A continuación, se detalla el histórico de diseños implementados hasta alcanzar el definitivo, así como los motivos por los que se descartan los mismos.
a) Versión 1
En la siguiente imagen (ver imagen 21) se muestra el primer diseño implementado para la generación del módulo de alimentación de baterías de Pitch.
Ventajas:
v Capacidad energética de suministro similar al modelo de referencia actual.
Sólo se prescinde de un “silo” de pilas, para la generación de las paredes internas, y por tanto, únicamente se pierden 7’7 Ah que sobre la totalidad de la capacidad nominal corresponde a:
Déficit de capacidad en % = 7’7/231 = 3’33%
Inconvenientes:
v No cumple con las propiedades mecánicas ni de rigidez.
Debido a tener que intentar mantener el máximo número de silos con el fin de mantener el máximo nivel de capacidad energética posible, las paredes internas que definen cada uno de los silos no pueden adoptar el grosor adecuado para garantizar una resistencia mecánica y una rigidez adecuada para la aplicación que se requiere (debe recordarse que al ser el módulo de Pitch requiere de ser capaz de solventar movimientos en el eje horizontal).
v Distancia “cero” entre pila y pared del silo.
Debido a que mediante el software de diseño en 3D , Solidworks 2013, la simulación posicional entre diseño ejecutado ( de esta versión ) y el de las pilas no se detectaba como un aspecto conflictivo (porque a nivel de software se entiende que aun siendo el mismo punto, al simular la posición relativa de los dos cuerpos, el software lo toma como un “ensamblaje”), al imprimir una muestra de esta versión se comprobó que existía un problema ya que las pilas no pasaban por los orificios del silo.
Imagen 21.- Vista de la sección del cuerpo del módulo proyectado en su versión 1.
Por tanto, de la Versión 1, se puede concluir que se deben reducir el número de “silos” de pilas y con ello la capacidad del módulo de alimentación con el objetivo de conseguir atribuir al sistema de alimentación proyectado las propiedades mecánicas y de rigidez necesarias y adecuadas.
b) Versión 2
En esta versión ( ver imágenes 22 y 23) y a raíz de las conclusiones obtenidas de la versión anterior se decide estudiar el máximo número de silos que se pueden distribuir en el sistema o módulo de alimentación a proyectar pero dotando al sistema del grosor adecuado de las paredes internas con el objetivo de poder cumplir con las especificaciones mecánicas.
Ventajas:
v Cumple con especificaciones mecánicas de paredes internas.
Dado que se ha reducido el número de “silos” que componen el módulo de alimentación a raíz de las conclusiones extraídas de la versión anterior, se dispone de espacio suficiente para trazar 4 “nervios”
de un grosor mínimo determinado que permita absorber la totalidad del esfuerzo que generan las pilas al aplicar su peso sobre las paredes intermedias colindantes de los “nervios”.
El diseño de esta versión es basado en un mecanismo tan simple como el de una rueda de carro o de bicicleta, es decir, es basado en un esqueleto radial que tiene como único objetivo absorber el peso de las cargas que se aplican sobre su eje.
Inconvenientes:
v Reducción de capacidad energética de suministro.
A raíz de las conclusiones a las que se llegan en la versión anterior, en ésta versión 2 del módulo de alimentación proyectado se reducen el número de “silos” de pilas a distribuir en 4 unidades con la finalidad de cumplir con las especificaciones o propiedades mecánicas necesarias.
Al reducir el número de “silos” de pilas en el diseño, se está reduciendo la capacidad de autonomía que tendrá el planeador submarino para cada misión. Si se procede a calcular el porcentaje de energía que se está reduciendo el módulo de alimentación respecto al total que tienen los packs de baterías de referencia, se obtiene:
Déficit de energía % = ( 7’7 · 5 ) / 231 = 0’166 · 100 = 16’66 % de energía menos.
Es decir, se está reduciendo la capacidad de suministro de energía en 38’5 Ah (Ver Glosario).
A priori es un hándicap importante debido a que el módulo de alimentación proyectado tiene como objetivo principal reducir el tiempo de reposición de las baterías de las unidades Glider a final de su vida útil, para conseguir aumentar el número de horas de misión realizadas a lo largo del año.
De acuerdo a lo anterior, al reducir el número de horas de suministro de energía durante una misión, se está acortando la duración de la misma, y consecuentemente, a priori se está reduciendo el número de horas que navegará el Glider a lo largo del año.
Posteriormente, en el apartado del presente capítulo de “Soluciones aportadas por el caso proyectado”
se recoge el motivo por el que dicha reducción de capacidad es asumible.
Imagen 22.- Vista de la sección del cuerpo del módulo proyectado en su versión 2.
Imagen 23.- Vista de los parámetros del diseño del cuerpo del módulo proyectado en su versión 2.
Para concluir con esta versión es necesario comentar que fue descartada porque al generar una sección de dicho diseño y comprobar si satisfacía las especificaciones de resistencia mecánica, se observó que si bien es cierto que el grosor de las paredes internas es el idóneo, el grosor de la cara interior del mismo era insuficiente como para soportar el esfuerzo que las pilas ejercían sobre ella, llegando a causar una ruptura.
Por tanto, como medida de mejora en la fase de diseño se propone incrementar el grosor de la cara interna del “toroide” con respecto a la cara interna de los “silos” de pilas.
c) Versión 3
Siguiendo con la propuesta de mejora (ver imagen 24) a la que se llega después de analizar y estudiar la versión anterior se procede a dotar de un grosor de 7 mm a la pared interior que separa la cara interna del “toroide” de la cara interna de cada “silo” de pilas.
Para ello, se procede a estudiar la viabilidad de expansionar la cara interna del “toroide” (forma aproximada que tiene la sección del módulo de alimentación proyectado) haciéndola crecer hacia fuera y reduciendo el tamaño del orificio central. Para estudiarlo, se procede a diseñar la sección de la pieza central a través de la que se desplazará el módulo diseñado durante el funcionamiento del Glider.
Tal y como se muestra en las imágenes 25 y 26, se puede observar como el espacio entre la pieza central y la cara interna del orificio central es de 7 mm después de haber hecho la modificación comentada con respecto a la versión anterior. Espacio suficiente para que no se ponga en riesgo el correcto funcionamiento de la máquina.
Imagen 24.- Vista de la sección del módulo de alimentación proyectado en su versión 3.
Imagen 25.- Vista de los parámetros de diseño del módulo de alimentación en su versión 3.
Imagen 26.- Vista ampliada de los parámetros de diseño del módulo de alimentación en su versión 3.
Al haberse testeado y probado la versión actual y comprobar que las pilas siguen entrando justas dentro de los “silos” respectivos, se propone como propuesta de mejora a ejecutar en la siguiente versión, el dotar al diámetro de los silos de 27 mm en vez de los 26’55 mm con los que se habían definido en la versión anterior.
Además, en la siguiente versión se deberá dotar al diseño de los orificios a través de los que se harán pasar las varillas metálicas ensambladoras del módulo de alimentación.
Finalmente, y debido a las limitaciones de los diferentes mecanismos de impresión planteados se cree conveniente seccionar el cuerpo del módulo de alimentación en diferentes capas con el objetivo de poder imprimirlas con los recursos y maquinarias que se han buscado y que se comentarán con más detalle en el capítulo de impresión del prototipo.
d) Versión 4. Versión definitiva
En esta versión las modificaciones que se realizan respecto a la versión anterior son:
En primer lugar, se introducen y realizan los orificios de paso de las varillas ensambladoras, y conductoras de masa metálicas del módulo de alimentación proyectado, con un diámetro de 4 mm cada uno (ver imagen 27).
Seguidamente, se introduce una modificación respecto a la versión anterior que consiste en añadir un púlpito o “túnel” sobre la parte superior del orificio central del “toroide”, para conseguir guiar la llave Allen que permite anclar el tornillo al Pitch Vernier ( tornillo sin fin que responsable del movimiento y desplazamiento de la batería respecto a la posición de equilibrio que se ha calibrado en la fase de
“ballasting”).
Es importante citar que solo la mitad de las piezas generadoras del cuerpo del módulo de alimentación tienen dicha modificación pues se observó, durante la fase de documentación técnica (previa a la fase de diseño), que únicamente la llave se introduce hasta la mitad de la longitud del módulo de alimentación.
Finalmente se realiza una “rebaba” en la cara inferior de cada pieza que forma el cuerpo del módulo de alimentación con el objetivo de poder incrustarle (basándose en el mecanismo que tienen las baterías del fabricante oficial) unas ruedecitas que permitan facilitar y agilizar el desplazamiento de la batería proyectada cuando el Glider se encuentre en funcionamiento (ver imágenes 28 y 29).
Imagen 27.- Vista ampliada de los orificios de paso de las varillas de 4 mm de diámetro en la versión 4 del módulo proyectado.
En la siguiente hoja se muestra el plano de diseño de una placa generadora del cuerpo del módulo de alimentación proyectado en todas sus vistas y con todas sus dimensiones acotadas.
Así mismo en ella, se pueden observar las diferencias implementadas con respecto a la anterior versión diseñada (versión 3) y que aparecen comentadas anteriormente.
Imagen 28.- Vistas de una pieza generadora del cuerpo del módulo de alimentación proyectado con pulpito para llave de anclado al Pitch Vernier.
3,45
20, 46
198,22 60,78 37,53 62,30
9,13 2,16 3,45
1,47 0,79 0,62 2,29 1,11
1,24 1,19
R 3 4 R4
4,2080,10 62, 12
10
9
R13,50
50 96 4, 8,
55, 12
A
A milímetrosA3 ARCHIVO DIBUJADO
DISCO GENERADOR GUIADOR CUERPO MÓDULO ALIMENTACIÓN BATERÍA PITCH SLOCUM GLIDER G2
FECHA PROYECTISTA SUPERVISOR TUTOR UIB TFG EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA. MÓDULO DE ALIMENTACIÓN DE PITCH DEL SLOCUM GLIDER G2. Javier Estelrich Vaquer Marc Torner Tomàs Dr. Rodrigo Picos Gayà ESCALA 1:2 20180206_DISCO_GUIADORSOFTWARESolidworks 2013
20180206
SECCIÓN A-A ESCALA 1 : 2 3
1 1 7
