Se pretende construir una turbina eólica de eje vertical a partir de materiales reciclados y de bajo costo para ser usada en experimentación de futuros proyectos de LIENE. Siguiente esta idea: 

https://observers.france24.com/en/20151113-how-build-home-wind-turbine-3...

https://www.fastcompany.com/3029746/a-diy-home-wind-turbine-for-just-30-...

Etapa de planeamiento:

Metodología:

Construir una turbina eólica vertical a pequeña escala, iniciando con la generación de planos y moldes para la construcción de las aspas. Por otra parte, también se especifica el diseño de la estructura base en la que estará soportada la turbina. Posteriormente, se diseña el sistema de transmisión y el de conversión eléctrica para una generación de tipo aislada.

De la etapa de diseño se procede a determinar los materiales adecuados para lograr un bajo costo, cumpliendo a la vez con los requerimientos de estabilidad mecánica, peso y rigidez. Una vez seleccionados los materiales se da inicio con la etapa de construcción y ensamblaje de partes.

Resultados esperados:

Una vez construida la turbina, se valida su correcto funcionamiento a nivel aerodinámico y de generación eléctrica aislada. La validación se realizará mediante pruebas de desempeño en diferentes zonas del TEC.

Etapa de construcción: (actualizado el 11/10/21)

A la fecha, 11/10/21 se  ha decidido que las aspas de la turbina estarán hechas de aluminio casi en su totalidad. Para permitir el giro de las aspas se utilizará un aro de bicicleta reciclado y el sistema de transmisión de la energía se daría por medio de una polea. Además, ya se tiene generado un modelo CAD con las dimensiones específicas de la turbina. 

Actualmente se encuentran separadas las turbinas del aro. También, se tiene planeado probar la turbina en la escuela de Ingeniería en Mantenimiento Industrial.

Sobre las dificultades que se han presentado en la elaboración del proyecto, se puede mencionar que el trabajo con aluminio es un poco difícil, puesto que existe siempre la posibilidad de cortarse. Otra dificultad ha sido que no se ha podido probar un generador, pues para hacer girar el eje se necesita un dado que se ajuste al tamaño de la tuerca del eje.

Se pretende determinar las características óptimas de un perfil aerodinámico para una turbina eólica de eje horizontal, mediante simulación numérica y experimentos en túnel de viento, para aplicaciones en zonas boscosas, de bajo potencial eólico y de pequeña escala.

OBJETIVOS

• Caracterizar el recurso eólico en regiones boscosas en Costa Rica.
• Modelar el comportamiento característico de la influencia del suelo sobre el viento.
• Definir el perfil aerodinámico o la combinación de perfiles existentes que captura mayor cantidad de energía para las condiciones de estudio.

METODOLOGÍA

Se recopilará y analizará información acerca del recurso eólico, tanto por medios experimentales como investigativos en el campus y a nivel nacional. Acto seguido y mediante el software Matlab, se pretende desarrollar un algoritmo computacional con el cual se podrá caracterizar la influencia del suelo en el aire en regiones boscosas; donde, por medio de los resultados de la experimentación en regiones boscosas, se definirá un perfil o la combinación de estos, que capturen la mayor cantidad de energía para las condiciones de estudio.

RESULTADOS ESPERADOS

Generar conocimiento para un aprovechamiento práctico del recurso eólico en zonas alejadas de centros urbanos. Posterior, este conocimiento será empleado en la construcción de turbinas de pequeña escala que se comporten y se adopten de manera óptima en regiones boscosas

Resultados hasta el 22/06/22

Actualmente, se cuenta con la turbina con capacidad de producir 500 W de potencia. Se debe terminar de realizar la configuración técnica de la turbina y probarla hasta que sea posible conseguir los resultados esperados. Con la configuración actual, la turbina está siendo capaz de generar menos de 1% de su potencia total objetivo.

Adicionalmente, se desea generar un estudio técnico de las especificaciones técnicas de la turbina, como generar una gráfica del coeficiente de potencia vs el TSR (Tip speed ratio). Este último cuantifica la relación de velocidades entre el aire incidente en la turbina contra la velocidad angular de giro de esta.

El proyecto está en etapa de prueba, actualmente es necesario realizar mediciones con la metodología experimental desarrollada:  colocar dos resistencias en serie y mediante multímetros medir la diferencia de potencial de la corriente directa generada por la turbina (luego de haber utilizado un rectificador de corriente) y la intensidad de la corriente en sí. También, mediante un estroboscopio se pretende medir la velocidad angular de giro de la turbina para obtener el TSR.  

Proyecto de turbina a pequeña escala

El estudiante Carlos Echandi-Jara de la carrera de ingeniería en Mecatrónica se encuentra generando un proyecto de crear una pequeña turbina eólica. A la fecha del 11 de octubre del 2021 se han definido una serie de parámetros, como lo sería el diámetro de la turbina a utilizar, el perfil aerodinámico y la altura de la turbina. A continuación se presentan las especificaciones técnicas determinadas hasta el momento:

· Diámetro: 26 cm

· Altura: 34 cm

· Perfil aerodinámico: AH 93-W-145, el cual se obtuvo de la página: http://airfoiltool.com

Con estas especificaciones se generó un modelo CAD, como se muestra al final.

El proyecto se encuentra en proceso y quedan algunas tareas por hacer, como sería:

· Buscar modelos similares en el internet.

· Investigar bibliografía relacionada.

· Probar el sensor Hall.

Comenzar con la construcción de la turbina propiamente.

Publicaciones realizadas: 

A continuación se presentan publicaciones realizadas por los investigadores del laboratorio sobre turbinas de pequeñas escalas: 

• Simulación del desempeño de tres perfiles aerodinámicos en flujo turbulento (Montenegro-Montero y Richmond-Navarro, 2021).
• Efecto de un difusor tipo wind lens en flujo turbulento (Richmond-Navarro et al., 2021)
• Shrouded wind turbine performance in yawed turbulent flow conditions (Richmond-Navarro et al., 2022).

Referencias

Montenegro-Montero, M., & Richmond-Navarro, G. (2021). Simulación del desempeño de tres perfiles aerodinámicos en flujo turbulento.

Richmond-Navarro, G., Casanova-Treto, P., & Hernández-Castro, F. Efecto de un difusor tipo wind lens en flujo turbulento. Uniciencia [online]. 2021, vol. 35, n. 2.

Richmond-Navarro, G., Uchida, T., & Calderón-Muñoz, W. R. (2022). Shrouded wind turbine performance in yawed turbulent flow conditions. Wind Engineering, 46(2), 518-528.

Desarrollo de un biomaterial compuesto por una aleación nanoestructurada de titanio y un recubrimiento biofuncionalizado par aplicación en dispositivos médicos implantables.

Correo: jeimygonz@gmail.com

Resumen de Propuesta Doctoral

Se ha demostrado mejoras sustanciales tanto en las propiedades mecánicas, como en la tasa de adhesión de tejidos y la respuesta biológica de los materiales metálicos nanoestructurados por medio de procesos de Deformación Plástica Severa (SPD, por sus siglas en inglés), lo cual presenta un gran potencial para su aplicación en dispositivos médicos implantables. Es por esta razón que en el presente proyecto de doctorado se plantea una estrategia novedosa en la que se va a combinar la Deformación Plástica Severa de aleaciones biomédicas de titanio, con diversos recubrimientos compuestos por materiales cerámicos, biopolímeros; y posteriormente se estudiarán propiedades de biocompatibilidad de los mismos, en cultivos in vitro.

Las mejoras en propiedades al nanoestructurar el material, permiten la eliminación de elementos tóxicos utilizados actualmente en aleaciones comerciales de titanio, tales como el vanadio. Además, se espera probar otras aleaciones utilizando elementos vitales como hierro y niobio. Adicionalmente, se ha comprobado que al modificar la superficie inerte del metal con la deposición de recubrimientos que incorporan elementos osteoconductores y osteo-generadores se mejora la integración con los tejidos; y que el uso de biomoléculas como factores de crecimiento, antibióticos, analgésicos, etc. Ha abierto una nueva gama de posibilidades generando recubrimientos que emulan señales y estructuras similares a las del cuerpo. De esta manera en este proyecto se pretende producir un biomaterial compuesto por una aleación de titanio nanoestructurada y un recubrimiento biofuncionalizado para su posible aplicación en la industria biomédica. Estas actividades se llevarán a cabo en el Centro de Investigación y Extensión en Materiales (CIEMTEC) principalmente. El material será evaluado por ensayos in vitro en colaboración con el Centro de Investigación en Biotecnología.
 

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Metodología de verificación y validación de diseños para circuitos integrados e aplicaciones con dispositivos médicos implantables

Correo: rmolina@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

Hoy en día, desarrollar un circuito integrado es costoso y muy complejo, debido al alto grado de miniaturización y el uso de procesos cada vez más en los límites de las dimensiones de unos cuantos nanómetros. El mismo avance que ha llevado a integrar miles de millones de transistores en un par de milímetros cuadrados, en conjunto con la demanda por productos más complejos y completos, hace que la lógica y el diseño de los sistemas electrónicos sea increíblemente extenso. Esto genera que los circuitos sean cada vez más difíciles de probar, tanto por su complejidad, como por su gran tamaño (no el tamaño físico). Esto sin mencionar lo crítico de algunas aplicaciones, donde la confiabilidad y la tolerancia a fallas de los sistemas es esencial, como la industria médica, los sistemas aeroespaciales, sistemas de seguridad, entre otras.

El flujo de desarrollo de un circuito es extenso e iterativo, y es prácticamente imposible generar un producto confiable sin este haber sido probado exhaustivamente. Durante el flujo de desarrollo de circuitos en electrónica, hay dos marcos muy importantes que deben resaltarse, ambos separados por evento crítico que es la fabricación del chip: el pre-silicio, que es todo el diseño antes de fabricar el chip; y el post-silicio, que es toda la validación y análisis después de fabricar el mismo. A su vez, se pueden dividir las fases de prueba en dos etapas, ambas desarrolladas en cada uno de estos marcos: la verificación, que son todas las pruebas realizadas durante el pre-silicio; y la validación, que son todas las pruebas realizadas durante el post-silicio. Cada una de estas fases de prueba tienen sus propias metodologías, temas y áreas de expertise.

La verificación es un tema sumamente amplio que abarca principalmente la verificación funcional, la verificación temporal y la verificación de pruebas. Cada una de estas áreas también tiene su propio tema de investigación. En general, la verificación busca que el chip cumpla con los requerimientos (físicos y lógicos) para los que cuales este fue pensado, y que opere como funcionalmente debe hacerlo. La validación, por su parte, busca detectar problemas ocurridos durante la fabricación del dispositivo. Ahora, la validación en sí es muy complicada de realizar, pues la capacidad de observación y de control de las señales internas del chip es sumamente pobre en relación con lo que se trabaja durante el diseño, fase en la que se disponen de simulaciones y análisis computacionales. Por tal razón, es necesario implementar una serie de técnicas dentro el chip (DFT, Diseño para Testabilidad), que permite mejorar la calidad de la validación de un chip, y así poder detectar errores con precisión para su futuro arreglo.

El tema doctoral en cuestión se enfoca en la elaboración de una metodología para verificación y validación, que pueda ser utilizada reiteradas veces en múltiples diseños electrónicos, realizando la menor cantidad de cambios mínimos necesarios. No obstante, para efectos de este tema doctoral, esta metodología se desarrollará para sistemas de dispositivos médicos implantables (IMD). Particularmente, la misma se desarrollará como un componente esencial del proyecto titulado “RISC-V HV: Procesador RISC-V en HV para aplicaciones médicas”, realizado por el Laboratorio de Diseño de Circuitos Integrados (DCILab) de la Escuela de Ingeniería Electrónica del Tecnológico de Costa Rica, el grupo microDIE de la Universidad Católica del Uruguay, el grupo OnchipUIS de la Universidad Industrial de Santander en Colombia, y el Centro Médico Erasmus en Rotterdam, Países Bajos.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Desarrollo de un proceso de ingeniería termo-hidromecánica para la densificación de la madera de tres especies forestales de costa rica.

Correo: ctenorio@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral

La densidad de la madera tiene una relación directa con sus propiedades mecánicas y por lo tanto con su resistencia. Especies como Gmelina arbórea, Vochysia guatemalensis y Vochysia ferruginea son ampliamente utilizadas en la reforestación comercial sin embargo su utilización ha sido limitada a usos de bajo valor agregado debido a su baja densidad.

La comprensión de madera bajo el efecto de calor y vapor, también llamado densificación termo-hidromecánica (THM), permite mejorar la densidad y por lo tanto aumentar la resistencia, rigidez y la dureza de las maderas.

El objetivo de este proyecto es establecer un proceso de ingeniería de densificación termo-hidromecánica y de mejora de la planificación y estabilidad dimensional de la madera de Gmelina arbórea, Vochysia guatemalensis y Vochysia ferruginea, evaluando los efectos de dichos procesos en las propiedades de su madera.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Desarrollo de un sistema de estudios in-vitro para la estimulación biomecánica de matrices con cultivo celular óseo y muscular

Correo: laurojas@itcr.ac.cr

Resumen de Propuesta Doctoral
En este proyecto se pretende desarrollar un sistema de estudios in-vitro que permita aplicar estímulos mecánicos sobre un dispositivo o cámara que sea capaz de contener matrices poliméricas inoculadas con células osteogénicas o musculares, para realizar estudios en biología celular y en ingeniería de tejidos. Con estas matrices se desea desarrollar un implante biomimético, es decir, que simule las condiciones fisiológicas de su ambiente natural.

El sistema de estudio estará formado por varios componentes, como sensor de temperatura y de CO2 calentadores, adaptadores para una máquina de pruebas dinámicas como el MTS Bionix, entre otros. El componente más importante del sistema de estudio será el dispositivo o cámara donde se ubicarán las matrices o estructuras porosas para realizar la inoculación de las células. Las matrices porosas se fabrican utilizando tecnología aditiva, que involucra impresión en 3D, usando para esto modelos de hueso animal.

La inoculación de las células se realizaría con líneas celulares tanto de músculo esquelético como osteogénicas, esto con el fin de no utilizar animales para cultivo primario innecesariamente. Adicionalmente se realizará el estudio y la caracterización de la dinámica celular en las matrices poliméricas, lo que implica evaluar la morfología, proliferación, adhesión y migración celular por medio de varias técnicas de detección celular, como podrían ser microscopía óptica y de fluorescencia, espectroscopia, entre otras. Con éste análisis será posible establecer el protocolo con el cual el crecimiento de las células en la matriz polimérica es favorecido.

El dispositivo pretende proveer un ambiente in-vitro adecuado, que facilite la estimulación mecánica de las células inoculadas en las matrices y promueva su proliferación. Éste dispositivo deberá ser hermético, estéril en su interior y además deberá tener las dimensiones adecuadas para poder ser utilizado en el irradiador Gamma Cell del TEC.

Entre los posibles resultados del proyecto se espera obtener un dispositivo operacional de ensayos adaptables al MTS Bionix, que permita la estimulación biomecánica de cultivos celulares de origen óseo y muscular, elaborado según las características deseadas de tamaño, hermeticidad y esterilidad.

Otros productos serán las matrices biopoliméricas en dos y tres dimensiones, caracterizadas y esterilizadas para implantar las células óseas y musculares, así como el protocolo de esterilización para el dispositivo de ensayos.

Proyecto de grado para el Doctorado Académico en Ingeniería TEC-UCR.

Identificación de especies forestales maderables de costa rica en peligro de extensión, mediante técnicas de visión artificial.

Resumen de Propuesta Doctoral:

La identificación de especies forestales maderables a partir de una muestra de su madera es un proceso que tradicionalmente requiere de un alto nivel de expertise, especialmente en países con biodiversidad tan rica como Costa Rica. Sin embargo, para la protección de especies maderables amenazadas, es fundamental poner en manos de una población más amplia la posibilidad de identificarlas. En particular, es muy importante facultar a oficiales del MINAE para que hagan la identificación de manera más eficiente y rápida en pericias legales y otras labores de conservación de la biodiversidad. 
 
El procedimiento que realiza un experto para la identificación de una especie forestal maderable se basa en la observación de ciertas características anatómicas macroscópicas de una muestra. Dicha muestra se obtiene al realizar tres cortes en la madera: transversal, tangencial y radial. Se ha propuesto diseñar e implementar un algoritmo que realice la identificación del tipo de madera de manera automática y a partir de imágenes digitales de cortes de la muestra. Para esto se usarán técnicas de visión artificial y clasificación que los investigadores han aplicado en otros dominios. Se espera que el sistema pueda identificar al menos 50 de las 90 especies forestales maderables amenazadas de Costa Rica. Además, con el propósito de aumentar el impacto de esta investigación se propone enriquecer la Xiloteca del TEC con más muestras de especies maderables, una base de datos de imágenes digitales para hacer identificaciones,  una aplicación móvil para apoyar la labor de los oficiales del MINAE y la enseñanza de estas destrezas en cursos de dendrología.

Correo: cadriansalazarg@gmail.com

Resumen de Propuesta Doctoral:

Pese a los gigantescos avances en el conocimiento neurocientífico en las últimas décadas sobre el cerebro humano, este sigue siendo un órgano que oculta múltiples misterios. Recientemente se ha buscado expandir el conocimiento de dicho órgano bajo el modelo de redes neuronales biológicamente precisas, que permitan realizar estudios masivos sobre su comportamiento, sin necesidad de la experimentación in-vivo. El gran problema de estos modelos es su excesivo costo computacional, que obliga a la búsqueda de alternativas de procesamiento masivo. Una vía alternativa es la de optimizar dichos modelos sin perder la precisión buscada. Ello significa evaluar alternativas no necesariamente basadas en los modelos computacionales tradicionales de optimización, tal como el uso de técnicas heurísticas para la toma de decisiones, desarrollar sistemas de tecnologías mixtas (analógico-digitales) o el uso de representaciones numéricas alternativas con las cuales reducir los costos computacionales. Una primera aproximación al problema, partirá de la implementación de algunos de los modelos más prometedores actuales en una red masiva basada en FPGAs para obtener rápidamente un piso de comparación entre el estado del arte actual validado y los futuros aportes que se pudieran derivar de esta investigación.

Es de esperar que el resultado de la misma culmine en una plataforma lo suficientemente flexible para extenderse tanto en sus capacidades de procesamientos como en la programabilidad de nuevos modelos cerebrales.