Metodología ABP para proyectos de ingeniería: Turbina eólica de eje vertical

El aprendizaje basado en proyectos es uno de los métodos de enseñanza que ha tenido un impacto significativo en los nuevos modelos educativos, su fortaleza radica en que los estudiantes se enfrentan a casos reales, orientados a su perfil de estudio, en donde la búsqueda de una solución se realiza de manera colaborativa entre los estudiantes [1]. En el área de las ciencias, es una de las mejores formas de transmitir conocimiento, pues es el estudiante quien, a medida que va realizando el proyecto, va descubriendo los principios teóricos que son base de la ingeniería. Durante este proceso, los alumnos no solo generan aprendizaje en la resolución del proyecto, sino que con la práctica adquieren más capacidades, pues se ven expuestos a resolver problemas, discutir, tomar decisiones en grupo, [2] etc. Esta metodología, en contraste con el modelo tradicional en donde el profesor aplica técnicas expositivas, presenta mejores resultados; sin embargo, aún hay algunos aspectos por mejorar.

Esta metodología fue implementada en la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC) para transmitir habilidades relacionadas con la elaboración de proyectos en ingeniería, su implementación tiene el objetivo de formar ingenieros innovadores, mejorar la adquisición de conocimientos y reducir los índices de deserción escolar. De esta manera, tienen origen los Proyectos Interdisciplinarios I, II, III y IV, mismos que son de carácter obligatorio y deberán cursarse antes de realizar la tesis, cada uno realizado en 14 semanas.

Estos proyectos tienen el objetivo de proveer soluciones a problemas de baja, media y alta complejidad. En todos estos proyectos se enfatiza el pensamiento crítico, el trabajo en equipo, la comunicación efectiva y la colaboración de los estudiantes [3]. Al término del semestre, se presentan los mejores proyectos en una feria llamada “Vivir la Ingeniería”; en ella, el departamento académico y los profesionales de la industria están invitados a proporcionar retroalimentación a los estudiantes.

No hay un límite en el aprendizaje que se puede obtener con base en proyectos, y para demostrarlo, en este documento voy a exponer el proceso de aprendizaje basado en la realización de un proyecto cuyo objetivo fue la construcción de una turbina eólica de eje vertical tipo savonius helicoidal que fue instalada en un generador de 500W.

Antecedentes

Este proyecto fue planteado con el objetivo de aprovechar el recurso eólico que existe en la zona de Barranco, Lima, caracterizado por presentar bajas velocidades de viento, siendo en promedio de 4 m/s y dirección predominante Sur-suroeste.

En las siguientes imágenes se observa  la frecuencia anual de las velocidades de viento en la zona y la dirección predominante.

Este nivel de velocidad es bajo, sin embargo la frecuencia anual con la que se presenta es elevada, lo que hizo necesario desarrollar un diseño de turbina que fuese más sensible a estas velocidades.

Las turbinas eólicas comerciales, requieren velocidades de viento mayores, en el orden de 10 m/s, por lo que su implementación es indicada en zonas estratégicas, donde existen estos niveles de velocidad de viento [4]. En Perú, la zona sur-suroeste se caracteriza por contar con vientos locales de 10 m/s en al menos 4200 horas a lo largo del año, valores altamente recomendables para el desarrollo de parques eólicos, tal es el caso de Tres Hermanas en Marcona, con 97 MW de potencia instalada [5].

Integración y trabajo del Equipo

Para llevar a cabo este proyecto, se procedió a formar el equipo. Quería integrar un equipo con perfiles diferentes para un trabajo más rico; buscaba habilidades para el diseño, la simulación, y conocimientos básicos de energía. Finalmente, siendo un tema con tendencia a tanta afinidad, había voluntad de sobra para realizar el proyecto, y el equipo fue armado en menos de una semana, conformando alumnos de Ingeniería Industrial, Mecánica e Ingeniería de la Energía.

Luego de organizar al equipo y repartir las funciones de cada miembro, realizamos un estado del arte, para estudiar el contexto acerca del tema y decidir el tipo de turbina a ser diseñada; y después, comenzó la etapa del diseño. Fue todo un reto, pero luego de incontables intentos de explotar la creatividad de cada miembro del equipo, logramos diseñar cada pieza de la turbina y simularla integrando todas; y más importante, se logró entender el porqué detrás de cada decisión en el diseño.

Para realizar el diseño se empleó el software SolidWorks, el cual permitió diseñar las superficies de las palas considerando una altura de pala de 70 cm y un ancho de pala de 32 cm, con una apertura de radio de 6 cm.

Las turbinas savonius son generalmente de dos palas, pero para reducir el cabeceo del eje decidimos  realizar este diseño de tres palas. Finalmente, una vez diseñada, fue simulada en el Software Autodesk CFD.

El diseño final de la turbina es el que se observa a continuación:

Construcción del Prototipo

Teniendo el diseño simulado y aprobado, se decidió pasar a la construcción de este. El equipo realizó una propuesta de construcción para el prototipo, consultando con especialistas en el tema, y tras ser aprobado, se realizó el presupuesto correspondiente y se envió a solicitud. Es importante que seamos los alumnos quienes realicemos el presupuesto, así estamos enterados de los gastos en los que se incurrió en el proyecto.

Una vez aprobado el presupuesto, se procedió a realizar las compras. Los estudiantes no solo ganamos la experiencia de realizar el proyecto en su totalidad, sino que además nos vemos obligados a abusar de nuestra capacidad de organización, y ejercitamos nuestras habilidades interpersonales.

Contando con todos los materiales, comenzó la acción. En UTEC hay distintos espacios para la realización de proyectos, y para realizar la turbina, ocupamos el laboratorio de manufactura. Para construir cada parte de la turbina, se utilizó dos máquinas del laboratorio: la fresadora Shopbot de tres ejes para cortar las 4 estrellas que cumplían la función de soportes de las palas helicoidales en acrílico de 6 mm de espesor, y la de cinco ejes para realizar el molde para los álabes, que fueron hechos luego con fibra de vidrio de 800 g/m2.

La fibra de vidrio fue trabajada bajo un molde  de tecnopor, el cual fue recubierto con una capa de aluminio para que los aditivos que requiere la fibra de vidrio no dañen el molde. Realizamos cuatro palas, cada una mejor que la anterior, de las cuales solo tres fueron utilizadas.

El eje que une las tres palas consistió en un tubo de aluminio de 80 cm de altura y contó con bridas de soporte para anclar las estrellas. La base de la turbina fue realizada en una sola pieza a base de aluminio, el cual fue maquinado en un torno industrial.

Finalmente unimos las piezas; para las palas, estrellas y soportes, empleamos pegamentos de alta fijación, mientras que para unir la turbina al generador empleamos ocho tornillos de 8/20.

Prueba del Prototipo

Una vez construida la turbina, esta fue expuesta al exterior para ver su comportamiento ante velocidades de viento, permitiendo así la generación de energía. Actualmente, la turbina expuesta a vientos de 4 m/s alcanza 60 RPM, generando 28 VCD. En el siguiente vídeo se observa la prueba del prototipo:

https://www.facebook.com/EuniceVilliO/videos/10155981899076953/

Reflexión

Cada pieza construida fue un proceso completo de aprendizaje; los estudiantes aprendimos a construir con fibra de vidrio, y quienes no sabían, aprendieron a utilizar las fresadoras también.

Finalmente, el aprendizaje obtenido en base a proyectos es indescriptiblemente rico; los alumnos, con la práctica, aprenden la teoría de una manera que los engancha y genera mayor compromiso con el proyecto. Los proyectos no solamente permiten a los estudiantes deducir las lecciones teóricas, sino que estimula la creatividad de cada uno, la capacidad de liderazgo y organización, y nos prepara para enfrentar el mundo real.

Fuentes de información:

[1] K. A. Bruffee, The Principles of Quantum Mechanics. The Johns Hopkins University Press; second edition edition, 1999.

[2] M. Prince and R. Felder, “The many faces of inductive teaching and learning,” Journal of College Science Teaching, vol. 36, no. 5, pp. 14–20, 2007. [Online]. Available: http://www.jstor.org/stable/42992681

[3] C.Flores, E. Villicaña, Interdisciplinary Projects as Active Learning Method for Strengthening of Technical and Soft Skills of UTEC Students. II IEEE World Engineering Education Conference (EDUNINE 2018).

[4] http://www.windturbinestar.com/500wh-wind-turbines.html

[5] https://goo.gl/8tBxys