OEI | Ciencia | Red | Formación | Contactar |

Inicio | Opinión | Reportajes | Noticias | Entrevistas | Multimedia

Salud | Comunidad

Pasar de STEM a STEEM: nuevas relaciones de la ciencia y el medio ambiente

2 de diciembre de 2018

Por Jonás Torres Montealbán, Universidad Autónoma Chapingo, Texcoco-México. IBERCIENCIA. Comunidad de Educadores. para la Cultura Científica
Un sistema de Aerogeneración a pequeña escala para fines educativos, requiere de acercar a los estudiantes a la ciencia de un modo sustentable: Science, Technology, Engineering, Environment, Mathematiscs (STEEM). Los objetivos de STEEM son básicamente los mismos que STEM, que se apoyan en el interés y habilidades de los estudiantes de ciencia, pero con la idea de comprometerlos en la búsqueda continua de mejores relaciones con el medio ambiente y en particular aplicaciones en contextos agrícolas. Apoyados en la integración de la ingeniería y las matemáticas mediante modelos innovadores, se trata de acercar el estudio de las energías renovables como detonadores de conceptos de física estudiados de manera no tradicional.

El pasar de STEM a STEEM, es desarrollar propuestas educativas en ciencias e ingeniería, destacando el estudio de las condiciones que apoyan los intereses y habilidades de los estudiantes en tecnología y matemáticas, desarrollando modelos en contexto. Es decir, motivar a los estudiantes hacia las ciencias y las ingenierías, aprovechando su naturaleza ecológica, solidaria y su afinidad por mejorara las relaciones humanas con el medio ambiente. Un ejemplo de aplicación de este modelo educativo, que introduce de manera paralela: la investigación en el aula, los problemas en contexto y la necesidad de trasformar los campos de la educación en Ciencia, Tecnología, Ingeniería, Medio ambiente y Matemáticas (STEEM); es el estudio de un sistema de aerogeneración para agricultura protegida, que a continuación se describe.


Figura 1.
Realizando pruebas del sistema de aerogeneración.

Los estudiantes de nivel preuniversitario (propedéutico) de la Universidad Autónoma Chapingo, estudian conceptos de física, mediante el desarrollo de un sistema de aerogeneración. Partiendo del diseño de un álabe para un aerogenerador de 500 Watts. El trabajo se estructuró en cinco etapas: 1) Se fundamentó el dimensionamiento del álabe por medio de técnicas convencionales, con referencia a la entrada de datos de velocidad del viento a diferentes alturas; con esta información se determinaron parámetros para la simulación en SolidWorks. 2) Se imprimió el álabe en 3D, obteniéndose 100 cm de diámetro para el área de barrido (base de cálculo del recurso eólico); se fabricaron los tres álabes del aerogenerador en fibra de vidrio y se realizaron pruebas aerodinámicas en un túnel de viento. 3) Se realizó el acoplamiento del sistema: rotor, generador, torre e instalación en el lugar de estudio. 4) Se midieron variables físicas para obtener el rendimiento global del aerogenerador propuesto, y 5) se hizo un análisis de impacto ambiental, que permitió evaluar la importancia de los daños ambientales potenciales. figura 1.

Es por ello, que una educación alternativa sobre el uso de la energía y el aprovechamiento de los recursos energéticos disponibles no sólo es un campo de universidades y científicos, sino también por el resto de la sociedad. Es así que, el desarrollo de una serie de actividades encaminadas a construir y evaluar un sistema de aerogeneración, que sea capaz de cubrir la demanda energética en una zona agrícola, en donde el abastecimiento de energía eléctrica se vea limitado. El objetivo final será evaluar el sistema de aerogeneración y determinar la capacidad máxima de potencia que podría suministrar para realizar un trabajo específico con mínimos efectos negativos al medio ambiente.

La metodología STEEM por su interdisciplinariedad: Ciencia, Tecnología Ingeniería Medio ambiente y Matemáticas, estas 5 área se conectan las actividades realizadas en las etapas del sistema de aerogeneración. Utilizada estrategias de enseñanza-aprendizaje, que han mostrado su eficacia en el estudio de la Física como: el aprendizaje basado en proyectos (ABP); el aprendizaje activo, el trabajo colaborativo y la Integración Didáctica con Exploración Aplicada (IDEA). Se desarrollaron cinco etapas, figura 2.


Figura 2. Explicación de las etapas del proyecto.

Primer etapa (ciencia)

Partimos de un tema principal como las energías renovables, y en particular la energía eólica como núcleo de conocimientos a estudiar. Para el estudio de un sistema de aerogeneración, es indispensable que se conozcan los principales conceptos básicos que hacen posible comprender la temática que se desarrolla. Iniciamos recordando que la potencia se define como la rapidez para realizar un trabajo o la energía por unidad de tiempo, se mide en Watts según el SI (sistema internacional de unidades). Tenemos que considerar que un aerogenerador tomará la energía cinética del viento, la convertirá en energía rotacional y al lograr mover o impulsar un generador eléctrico se obtendrá la energía eléctrica como producto final. Para nuestro caso, la potencia del aire en movimiento se refiere a la tasa de flujo de energía cinética por segundo en Watts.

Segunda etapa (tecnología)

En esta etapa se pudo observar la potencia que desarrolla el aerogenerador, y que está en función de la velocidad del viento que reciba el rotor y la superficie de barrido. Por lo que, resulta de gran importancia conocer el valor de estas variables meteorológicas en el lugar de implementación del sistema. Es por ello, que resulta indispensable tener conocimiento del valor de la velocidad del viento en el lugar elegido; esto se puede lograr de dos formas:

1. Instalando equipos de medición (anemómetros) a la altura y en el lugar elegido por un periodo de tiempo fijado para obtener valores representativos.
2. Utilizando datos históricos evaluados por alguna institución y aplicando ecuaciones que nos permitan interpolar o extrapolar esos valores a la altura deseada.

Se tomó como base el diseño de un álabe prediseñado y se consideró una longitud de 50 cm, para llegar a un diámetro de 100 cm en el área de barrido. Se realizaron las simulaciones en el software SolidWorks. Se obtuvieron algunos datos de velocidad de viento a diferentes alturas para la zona de estudio. Se desarrollaron los cálculos correspondientes en el dimensionamiento del sistema de aerogeneración, con base en la necesidad de potencia propuesta por equipos de estudiantes y los cálculos teóricos del aerogenerador. Se inició la construcción del aerogenerador, imprimiendo el álabe en 3D y se hicieron réplicas del mismo en fibra de vidrio para obtener los tres álabes que lo conforman. Se realizaron pruebas de velocidad del viento a 4 diferentes alturas, con la finalidad de caracterizar la velocidad del viento en la zona donde se va implementar el sistema.

Tercera etapa (Matemática)

Se realizó el acoplamiento del sistema: rotor, generador, torre e instalación en la zona y se desarrollaron los siguientes cálculos:

  1. Calcular la demanda energética total anual.
  2. Calcular la demanda energética anual que se desea cubrir con el sistema eólico.
  3. Evaluar el recurso eólico en el lugar de interés.
  4. Seleccionar la turbina adecuada con base en los cálculos anteriores.

Cuarta etapa (Ingeniería)

En la cuarta etapa, se realizaron las mediciones de las variables físicas: Potencia, voltaje, intensidad de corriente, velocidad del viento, velocidad de giro del rotor, densidad del aire, altura, etc., para obtener el rendimiento global del aerogenerador propuesto.

Quinta etapa (medio ambiente)

Se compromete a los estudiantes para continuar con el conocimiento de las energías renovables y de los principios que transforman la energía solar en otros tipos de energía útil considerando la evaluación de los daños ambientales atribuibles al proceso de implementación del sistema de aerogeneración, es decir, desde los orígenes de las materias involucrados, los procesos hasta los residuos producidos. Los daños ambientales generados por la manufactura y implementación del sistema de aerogeneración, la generación de residuos cuando se instala el sistema y en general por todos los aspectos capaces de producir daños al entorno que formen parte del ciclo de vida del sistema instalado. Todos estos aspectos deberán contabilizarse, atribuyendo distintos daños ambientales a cada unidad del proceso y con ello minimizarlos o evitarlos.

Finalmente, las actividades realizadas desde el análisis del dimensionamiento del álabe, hasta la medición de parámetros físicos en la zona donde se instaló el sistema; muestra que los estudiantes avanzaron de manera significativa en la comprensión de los conceptos de física; al trasladar la información estudiada en la solución de un problema concreto como: iluminación, bombeo, riego, ventilación; utilizando energías limpias como la eólica. Por lo que, la exploración aplicada de la energía eólica, logra ser una alternativa en el proceso enseñanza aprendizaje de conceptos de física, con base en una propuesta interdisciplinaria e integral (STEEM); logrando avances importantes en el aprovechamiento de la energía eólica en universidades y centros de investigación, impulsando aplicaciones con fines educativos, metodologías alternativas en la enseñanza de la ciencias y en particular la comprensión de conceptos de Física.

Palabras clave:

subir

  
Diseño y contenidos por asenmac