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Volumen 3, Número 8 – Julio –Septiembre 2016
ECORFAN®
Revista de Sistemas
Experimentales
ISSN 2410-3950
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RENIECYT
ECORFAN-Bolivia
Revista de Sistemas Experimentales,
Volumen 3, Número 8, de Julio a
Septiembre-2016, es una revista editada
trimestralmente por ECORFAN-Bolivia.
Loa 1179, Cd. Sucre. Chuquisaca,
Bolivia. WEB:
www.ecorfan.org,[email protected].
Editora en Jefe: RAMOS-ESCAMILLA,
María. PhD, Co-Editor: IGLESIAS-
SUAREZ, Fernando. ISSN-2410-
4000.Responsables de la última
actualización de este número de la
Unidad de Informática ECORFAN.
ESCAMILLA-BOUCHÁN, Imelda.
PhD, LUNA-SOTO, Vladimir. PhD,
actualizado al 30 de Septiembre del
2016.
Las opiniones expresadas por los autores
no reflejan necesariamente las opiniones
del editor de la publicación.
Queda terminantemente prohibida la
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Presentación
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Experimentales.
En Pro de la Investigación, Enseñando, y Entrenando los recursos humanos comprometidos con la
Ciencia. El contenido de los artículos y opiniones que aparecen en cada número son de los autores y no
necesariamente la opinión del Editor en Jefe.
En el primer número es presentado el Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo
ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la producción de metano por VIGUERAS-
CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra y ZAFRA-JIMÉNEZ,
Gabriela, con adscripción en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec y la Universidad
Veracruzana, como siguiente artículo está Comparación de métodos experimentales para obtener los
parámetros eléctricos de un motor de inducción por REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-
PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard, en el siguiente artículo está Navegación multi-objetivos
para robots móviles en entornos con obstáculos por VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J, PORTILLO-
VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y PORRAGAS-BELTRÁN, L con adscripción en la Universidad
Veracruzana, como siguiente artículo está Proceso sustentable de obtención de biodiesel por
BAUTISTA-VARGAS, María, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ, René y
TORRES-MORENO, Ruth con adscripción en la Universidad Autónoma de Tamaulipas, como
siguiente artículo está Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de
San Bartolo Cuautlalpan por ESPINAL-ARELLANO, Juan, OLVERA-GARCÍA, Omar,
HERNÁNDEZ-GÓMEZ, Víctor y MORILLÓN-GÁLVEZ, David con adscripción en la Universidad
Nacional Autónoma de México, como siguiente artículo está Caracterización de un susceptor de cobre
sensible a radiación solar IR y UV por ZÁRATE-CORONA, José, TELOXA-REYES, Julio y
AGUILAR-GALVÁN, Daniel, como siguiente artículo está Semi-automatización de Biodigestor Cerdo
vs Vaca por MORALES-IBARRA, Vanessa, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-HERRERA,
María Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín, como siguiente artículo está Efectos de la
temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico por MESSINA-LOPEZ, Víctor, DIBENE-
ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César, como siguiente artículo está Simulación de la
fermentación de jugo de betabel usando diferentes concentraciones de biomasa por VILLEDA-
CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué y JIMENEZ-ISLAS,
Donaji, como siguiente artículo está Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un
banco de celdas de combustible PEM por MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador, GARCÍA-GALLEGOS,
Jesús, DUARTE-MOLLER, José y OLIVARES-RAMÍREZ, Juan, como siguiente artículo está
Propuesta de Diseño Aerodinámico para Reducción de Turbulencia en la Estela de Rotación en
Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT por MOLINERO, Daniel, LÓPEZ, Víctor y
CERVANTES, Alberto, como siguiente artículo está Aplicación de la energía solar mediante sistema
termosolar y sistema solar fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en
función de utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0 horas solar pico por BARRAGÁN-
BUENO, Miguel.
Contenido
Artículo Página
Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con
lecho de lodos (RAFAELL) para la producción de metano
VIGUERAS-CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra
y ZAFRA-JIMÉNEZ, Gabriela
1-7
Comparación de métodos experimentales para obtener los parámetros eléctricos de
un motor de inducción
REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard
8-17
Navegación multi-objetivos para robots móviles en entornos con obstáculos
VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J, PORTILLO-VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y
PORRAGAS-BELTRÁN, L
18-26
Proceso sustentable de obtención de biodiesel
BAUTISTA-VARGAS, María, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ,
René y TORRES-MORENO, Ruth
27-35
Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San
Bartolo Cuautlalpan
ESPINAL-ARELLANO, Juan, OLVERA-GARCÍA, Omar, HERNÁNDEZ-GÓMEZ,
Víctor y MORILLÓN-GÁLVEZ, David
36-52
Caracterización de un susceptor de cobre sensible a radiación solar IR y UV
ZÁRATE-CORONA, José, TELOXA-REYES, Julio y AGUILAR-GALVÁN, Daniel
53-57
Semi-automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca
MORALES-IBARRA, Vanessa, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-
HERRERA, María Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín
58-64
Efectos de la temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico
MESSINA-LOPEZ, Víctor, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César
65-77
Simulación de la fermentación de jugo de betabel usando diferentes
concentraciones de biomasa
VILLEDA-CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué
y JIMENEZ-ISLAS, Donaji
78-83
Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un banco de celdas de
combustible PEM
MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador, GARCÍA-GALLEGOS, Jesús, DUARTE-MOLLER,
José y OLIVARES-RAMÍREZ, Juan
84-90
Propuesta de Diseño Aerodinámico para Reducción de Turbulencia en la Estela de
Rotación en Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT
MOLINERO, Daniel, LÓPEZ, Víctor y CERVANTES, Alberto
91-102
Aplicación de la energía solar mediante sistema termosolar y sistema solar
fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en función de
utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0 horas solar pico
BARRAGÁN-BUENO, Miguel
103-110
Insturcciones para Autores
Formato de Originalidad
Formato de Autorización
1
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 1-7
Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con
lecho de lodos (RAFAELL) para la producción de metano
VIGUERAS-CARMONA, Sergio*†, VIAN-PÉREZ, José’, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra’ y ZAFRA-
JIMÉNEZ, Gabriela.
Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, División de Ingeniería Química y Bioquímica
‘Universidad Veracruzana, Facultad de Ciencias Químicas,
Recibido Julio 22, 2016; Aceptado Septiembre 15, 2016
Resumen
El objetivo de este trabajo fue diseñar un reactor
anaerobio para el tratamiento de residuos sólidos urbanos
orgánicos vegetales (RSUOV), sus características están
vinculadas con los procesos bioquímicos de la digestión
anaerobia. El diseño del Reactor Anaerobio de Flujo
Ascendente Empacado con Lecho de Lodos (RAFAELL)
está basado en el mejoramiento de la eficiencia de
producción de metano y remoción de sólidos. El diseño
considera una etapa de pretratamiento en la que los
RSUOV son sometidos a esfuerzos cortantes para
incrementar el número de partículas menores a 150 µm y
la concentración de sólidos disueltos (partículas menores
a 2.5 µm). Además, se ha incluido un lecho de lodos para
incrementar el tiempo de residencia celular en el reactor.
La sección de empaque permite mantener separadas las
fases hidrolítica y metanogénica lo que mejora el control
del proceso. Los flujos hidráulicos permiten transportar
la fracción más rápidamente biodegradable al lecho de
lodo, lo que favorece su transformación a metano. Estas
características, incluidas en un solo reactor, permiten
mejorar la eficiencia del proceso anaerobio. Al evaluar el
comportamiento del RAFAELL se obtuvieron buenas
eficiencias de remoción de sólidos (67%) en 12 días con
productividades de metano de 1.45 LCH4.L-1
.d-1
, valores
proporcionales a las cargas orgánicas aplicadas al sistema
(0.66 – 2.5 gSV.L-1
.d-1
).
Diseño, reactor, metano
Abstract
The aim of this work was to design an anaerobic reactor
for treating the organic fraction of municipal solid waste
(OFMSW); their characteristics are linked to the
biochemical processes of anaerobic digestion. Design Up
flow anaerobic sludge blanket solid-state reactor
(RAFAELL, for acronyms in Spanish, Reactor
Anaerobio de Flujo Ascendente Empacado con Lecho de
Lodos) is based on improving the efficiency of methane
production and removal of solids. The design considers a
pre-treatment stage in which OFMSW are subjected to
shear to increase the number of particles smaller than 150
μm and the concentration of dissolved solids (particles
smaller than 2.5 μm). Furthermore, it has included a
sludge bed to increase the time of cell residence in the
reactor. Solid-state section allows separating hydrolytic
and methanogenic phases which improves process
control. Hydraulic flows transports the faster
biodegradable fraction to sludge bed, which favors its
conversion to methane. These features included in a
single reactor, allow improving the efficiency of the
anaerobic process. In assessing the behavior of
RAFAELL were obtained good solid removal
efficiencies (67%) in 12 days, with methane productivity
of 1.45 LCH4.L-1
.d-1
which is proportional to the organic
loads applied to the system (0.66 – 2.5 gSV.L-1
.d-1
).
Design, reactor, methane
Citación: VIGUERAS-CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José’, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra’ y ZAFRA-JIMÉNEZ,
Gabriela. Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la
producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016, 3-8: 1-7
* Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primerAutor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la
producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016
Introducción
Tradicionalmente, los residuos sólidos urbanos
se disponen en rellenos sanitarios, que al
carecer de un adecuado control, son
responsables de la mayor descarga de gases de
efecto invernadero a la atmósfera, por lo que
tecnologías de menor impacto medioambiental
adquieren relevancia (Themelis, 2008) entre las
que destaca la digestión anerobia debido a que
produce energía. Los procesos anaerobios han
sido empleados para el tratamiento de aguas
residuales debido a sus características de
recuperación de energía, baja producción de
lodos residuales y de su capacidad para tratar
elevadas cargas orgánicas. Por lo anterior, la
tecnología de digestión anaerobia se ha
extendido a la estabilización de residuos
sólidos, como los provenientes de actividades
agrícolas, residuos de comida y lodos de
desecho (Ward et al., 2008).
En el proceso de estabilización de los
residuos sólidos, diversas tecnologías
anaerobias como los procesos Dranco, Valorgas
y Kompogás se han consolidado a escala
industrial (Fagbohungbe et al., 2015). Además
una variedad de diseños de reactores se han
propuesto recientemente los cuales han
incrementado significativamente las
velocidades de reacción del proceso de
digestión de los residuos (Mao et al., 2015). De
acuerdo con Ward y colaboradores (2008), un
bioreactor anaerobio debe ser diseñado con la
finalidad de maximizar la producción de
metano, aplicando continuamente elevada carga
orgánica y operando a cortos tiempos de
retención hidráulica.
Actualmente, los bioreactores utilizados
para la metanización de distintos tipos de
residuos se pueden clasificar como reactores
por lotes y sistemas continuos de una etapa y
multi-etapa.
Entre las configuraciones de bioreactores
anaerobios mayormente utilizados se
encuentran el bioreactor de tanque agitado con
alimentación continua, bioreactores tubulares,
reactores bach en secuencia, reactores
anaerobios de flujo ascendente RAFA y filtros
anaerobios. Los reactores de dos o más etapas
con alimentación continua, en los cuales las
etapas bioquímicas de la digestión anaerobia,
hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y
metanogénesis se llevan a cabo de forma
separada han mostrado mejor desempeño en
términos de eficiencia de remoción y
producción de biogás.
Sin embargo, el diseño de los reactores
mencionados en anteriores parrafos se limita a
aspectos hidráulicos y energéticos, por lo que
algunos autores como Fernández-Polanco
(2002) afirman que existe carencia de
información para el diseño de este tipo de
tecnología. Los RSUOV son complejos en
estructura física y composición química, y se ha
demostrado que la proporción de las fracciones
con distinta biodegradabilidad determina la
velocidad de hidrólisis en el proceso anaerobio
(Vavilin, 2008; Cho, 1995). Entonces,
considerando que la hidrólisis de los residuos es
la etapa limitante del proceso (Lu, 2007), las
características de los residuos a digerir afectan
la velocidad de producción de metano como
resultado de inhibición por acumulación de
ácidos grasos volátiles AGV o por limitación de
sustrato soluble (Polanco, 2015; Zhang, 2013;
Visvanathan, 2012). Por lo anterior, es
necesario realizar una caracterización apropiada
de los residuos, con especial atención a las
posibles limitaciones debido al tamaño de los
sólidos y control de la etapa de hidrólisis.
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producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016
Materiales y métodos
Caracterización de los residuos
Se llevó a cabo la caracterización fisicoquímica
de los residuos empleados para este estudio.
Debido a la larga duración del estudio, fue
necesario tomar muestras de RSUOV en
diferentes momentos por lo que la proporción y
tipos de residuos no fue la misma durante toda
la etapa experimental. El pH y conductividad
fueron determinados de acuerdo a Fernandez et
al. (2006); densidad de empaque, porcentaje de
humedad, sólidos totales y sólidos volátiles se
determinaron mediante el método gravimétrico.
Para la determinación de la demanda química
de oxígeno, proteínas y carbohidratos, los
residuos fueron secados en una estufa a 105 °C,
posteriormente se homogenizo el tamaño de
partícula triturando la muestra y tamizándola,
finalmente se resuspendio la muestra en agua
para tener una concentración de 1 g/L y se
procedió conforme a Eaton et al, (1998), Lowry
et al, (1951) y Goel et al, (1998),
respectivamente.
Inóculo
Un Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente
(RAFA) fue inoculado con una mezcla de lodo
activado estabilizado anaeróbicamente y
estiércol de vaca en proporción volumétrica 1:1.
El reactor fue alimentado con lixiviado de
RSOUV. La carga orgáncia alimentada fue
incrementando gradualmente conforme la
eficiencia del reactor incrementó. Después de
100 días de operación, el inóculo alcanzó una
actividad metanogénica de 0.21 kg DQOCH4.kg-
1SSV.d
-1.La composición del biogás fue
determinada mediante cromatografía de gases,
usando un cromatógrafo (GOW-MAC con
integrador SP-4290) equipado con un detector
de conductividad térmica (TCD) y una columna
empacada con Carbosphere.
Dinámica de solubilización de los residuos
sólidos urbanos orgánicos vegetales
Los RSOUV previamente cortados con un
tamaño de partícula de 1 cm se empacaron
dentro de un reactor de 8 L. Una vez
empacados los residuos se llevó a cabo
recirculación de agua residual municipal a
través del lecho, fijando una velocidad
ascensional de 1 m.h-1
. Diariamente se tomó
una muestra de 100 mL misma que se
reemplazó en el reactor con agua residual
municipal cruda. A la muestra tomada se le
determinó la concentración de sólidos totales
ST y sólidos volátiles SV. Una vez que el
efluente se saturó de sólidos fue reemplazado
por agua residual cruda, al periodo de tiempo
entre cada recambio de agua cruda se le
denominó ciclo de recirculación.
Distribución del tamaño de partícula
La columna empacada sometida a recirculación
de agua a distintas velocidades ascensionales
fue operada con un tiempo de retención
hidráulico de 10 días. Al efluente purgado se le
determinó la distribución del tamaño de
partícula. Lo anterior se realizó pasando
muestras de 50 mL a través de tamices de
tamaño de poro de 105, 74, 62, 54 y 37 µm, y
filtrando otras a través de papeles de tamaño de
poro de 25, 16, 11, 8, 6, 3 y 2.5 μm.
Al final de lo anterior se tenían 13
muestras de líquido con sólidos de tamaño
>105, >74, >62, >54, >37, >25, >16, >11, >8,
>6, >3 y >2.5 μm respectivamente, a las que se
les determinó la concentración de sólidos
totales. Posteriormente, se comparó la cantidad
de sólidos en cada muestra con el contenido de
sólidos en una muestra del efluente sin tamizar
(sólidos totales en la muestra) para obtener el
porcentaje de sólidos para cada tamaño de
partícula.
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producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016
Biodegradabilidad anaerobia de los residuos
sólidos
Conforme al protocolo de Field (1986), se
determinó la biodegradabilidad anaerobia, tanto
de sólidos solubles (< 2.5 μm) como de sólidos
suspendidos (> 2.5 μm) para una mezcla de
RSUOV sometida a recirculación de agua.
Los ensayos se llevaron a cabo en
botellas serológicas de 120 mL con un volumen
de reacción de 80 mL. La concentración del
inóculo fue de 2.5 g SSV.L-1
, mismo que tenía
una actividad metanogénica específica de
0.21±0.03 g DQOCH4.g-1
SSV.d-1
. El sustrato
para este ensayo fueron los sólidos contenidos
en el efluente de la columna empacada y
sometida a recirculación de agua, la
concentración del efluente fue diluida para
obtener una relación sustrato-inóculo en el
ensayo de 1.2 g DQOacetato/gSSVinóculo. La
cuantificación de metano se realizó mediante
cromatografía de gases.
Al RSOUV retirado al finalizar los
ciclos de recirculación se le quitó el exceso de
agua y se trituró en un extractor de frutas, el
líquido fue recuperado y pasado por un tamiz
con tamaño de partícula de 105 µm. El bagazo
fue exprimido usando un cedazo hasta extraer el
máximo de líquido, que fue también tamizado.
La mezcla de las dos fracciones liquidas fueron
utilizadas para determinar la biodegradabilidad
del empaque.
Diseño del reactor anaerobio
Los criterios de diseño del reactor anaerobio
fueron: la velocidad ascensional, el tiempo de
retención hidráulico y el porcentaje de
biodegradabilidad de los sólidos.
En esta etapa se estableció la velocidad
ascensional adecuada para promover la
reducción del tamaño de partícula y mantener el
lecho de lodos en la sección de metanogénesis.
Por otro lado, se estableció el tiempo de
retención hidráulica óptimo para lograr la
mayor eficiencia de remoción de carga
orgánica. A partir de los resultados obtenidos se
diseñó el reactor.
Para establecer la velocidad
ascensional, una columna de 8 L fue empacada
con mezcla de RSUOV con tamaño de partícula
de 1 cm y se sometió a recirculación de agua,
fijando velocidades ascensionales de 0.5, 1, 1.4
y 2 m.h-1
. El agua utilizada fue agua residual
municipal. Diariamente se tomó muestra de 100
mL a la que se determinó la concentración de
sólidos totales y sólidos volátiles.
Para establecer el tiempo de retención
hidráulico se tomó como base la información
generada en las pruebas de biodegradabilidad
de los residuos. El TRH correspondió al tiempo
necesario para alcanzar una velocidad constante
de producción de metano.
Resultados
Caracterización de los residuos
Las características de la mezcla de empaque se
exponen en la Tabla 1, los valores obtenidos
están dentro del intervalo reportado en estudios
previos para mezclas similares de RSUOV.
El valor determinado para la
concentración de DQO es 100 veces más
grande en comparación al reportado por Liu et
al (2008), debido a que este último sólo emplea
la fracción líquida después de la hidrolisis ácida
de los residuos, quedando la mayor cantidad de
DQO en el residuo no hidrolizado.
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producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016
Dinámica de solubilización de los residuos
Los pretratamientos utilizados en el proceso de
digestión anaerobia de residuos sólidos
orgánicos, tienen como principal objetivo
acelerar la solubilización e hidrólisis del
residuo, en este estudio el pretratamiento fueron
los esfuerzos cortantes del agua sobre los
residuos. Para evaluar el efecto de los esfuerzos
cortantes, debido al flujo, sobre la dinámica de
solubilización de los RSOUV se determinó la
distribución del tamaño de partícula. En la
Gráfica 1, se observa que al aumentar la
velocidad ascensional, el porcentaje de
partículas menores a 20 µm aumenta, lo que
implica que los esfuerzos cortantes a los que
son sometidos los residuos aceleran la
modificación de la estructura del residuo
vegetal provocando la liberación del agua y la
reducción del tamaño de partícula.
A una velocidad ascensional de 1.64
m.h-1
se observa que el 93% de las partículas
tienen tamaños menores a 20 µm. Por otro lado,
los reactores anaerobios de flujo ascendente
diseñados con base en la carga hidráulica,
establecen una velocidad ascensional menor o
igual a 1 m.h-1
para reactores que utilizan lodos
anaerobios floculantes. Utilizando estos dos
criterios se realizó la dinámica de solubilización
de una columna empacada con residuos urbanos
orgánicos vegetales, estableciendo la velocidad
ascensional en 1 m.h-1
y el tiempo de retención
hidráulico en 10 d.
En la Gráfica 2 se observa la dinámica
de solubilización de los sólidos en el agua
residual (concentración inicial de sólidos de
0.05 g SV.L-1
). A los primeros 6 días llega a su
máxima concentración (6.75 g SV.L-1
). El
segundo ciclo, el efluente llega a su máximo el
día 17 (3.12 g SV.L-1
). El tercer ciclo inicia el
día 19, llegando a su máximo el día 23 (3.45 g
SV.L-1
).
El último ciclo inicia en el día 24 y
llega a una máxima concentración el día 32
(2.13 g SV.L-1
). Se observa también que el agua
residual se satura rápidamente con sólidos en
cada uno de los ciclos.
Durante este experimento también se
observó un cambio en la densidad de empaque
del RSOUV, pasando de 0.9 kg.L-1
a 0.5 kg.L-1
.
El volumen de los residuos al final fue el 40 %
del volumen inicial y el tamaño de partícula
promedio del empaque fue menor a 5 mm, esta
disminución se logró en un periodo de 35 días,
lo que representa alrededor de 3.5 menos
tiempo que el utilizado en el composteo
tradicional para reducir en esa magnitud el
volumen de los residuos tratados.
Biodegradabilidad anaerobia de los residuos
sólidos
Al efluente obtenido en cada una de los ciclos
de recirculación le fue medida su
biodegradabilidad anaerobia (Tabla 2). El
efluente fue disminuyendo su biodegradabilidad
conforme avanzan los ciclos de recirculación.
La baja biodegradabilidad del RSUOV (por
debajo de 50%) después de la recirculación
debe estar asociada a su composición
(polisacáridos como celulosas), en
concordancia con diversos autores (Moshier,
2005; Hilkiah, 2008) que trabajaron con
materiales ricos en celulosa 38.81 %,
hemicelulosa 29.5 % y lignina 7.1 % que son
materiales de baja biodegradabilidad (por
debajo de 50 %).
Asignación del valor de los parámetros de
diseño
En la Gráfica 3 se muestran el valor de los
sólidos totales en el efluente del reactor a las
diferentes velocidades ascensionales.
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anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la
producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016
Se observa que de 0.5 a 1.44 m.h-1
la
concentración de sólidos en el efluente está por
debajo de 0.15 g SST.L-1
y que para la
velocidad de 2 m.h-1
se incrementa la
concentración de sólidos hasta 0.33 g SST.L-1
,
con una desviación estándar mayor, lo que
implica que la salida de sólidos puede llegar
hasta 0.45 g SST.L-1
. Así que se estableció
como velocidad ascensional de operación de 1.4
m.h-1
, ya que a ésta se pueden tener mejor
calidad del efluente que abandona el reactor.
Para establecer el tiempo de retención
hidráulica se utilizó la información generada en
la pruebas de biodegradabilidad, en ellas se
estableció que el tiempo promedio en el que se
alcanza una velocidad de producción de metano
constante fue de 7 ± 3 días. Por lo que se
estableció un tiempo de retención hidráulica de
10 días.
Construcción y puesta en marcha del reactor
anaerobio de flujo ascendente empacado con
lecho de lodos
El reactor fue construido de acrílico
con tres compartimientos (Figura 1), cada uno
con un volumen total de 8 L y un área de 400
cm2. La relación área/longitud máxima que se
obtuvo para lograr una buena distribución de la
alimentación a escala laboratorio fue de 20. La
parte superior del reactor tiene una mampara de
separación sólido-líquido-gas [(i), Figura 1]. El
flujo hidráulico del reactor es controlado por
dos bombas peristálticas, una controla la
velocidad ascensional (l1) y la otra el tiempo de
retención hidráulico (l2). El cárcamo de
alimentación [(m), Figura 1] está en un baño de
temperatura controlada para mantener la
alimentación del efluente a 35 °C.
Para iniciar la operación del reactor se
utilizaron 6 L del inóculo previamente adaptado
(actividad metanogénica de 0.43 ±0.06 g
DQOCH4.g-1
SSV.d-1
) colocado en la primera
sección del reactor [(b), Figura 1].
La sección superior del reactor (c) fue
empacada con RSOUOV con un tamaño de
partícula promedio de 1 cm. El RAFAELL se
llenó con agua residual que es recirculada para
que pase a través del lecho de lodo anaerobio,
ascienda por una zona de mezclado (e) y llegue
a la sección de empaque en dónde los esfuerzos
cortantes provocan la reducción del tamaño de
partícula de los RSOUV, transportando las
partículas más pequeñas al lecho de lodo.
El biogás es retirado continuamente
utilizando un separador sólido-líquido-gas y
cuantificado por un contador magnético de
pulsos [(n), Figura 1]. La eficiencia del sistema
se evaluó determinando la productividad de
metano LCH4.LR-1
.d-1
.
La Gráfica 4 muestra la productividad
del RAFAELL con respecto a la carga orgánica.
En el intervalo ensayado (0.66 a 2.5 g SV.L-1
.d-
1) la productividad metanogénica aumentó
proporcionalmente conforme aumentó la carga
orgánica, llegando a un valor máximo 1.45
LCH4.L-1
.d-1
, los valores reportados para
sistemas similares al RAFAELL son de hasta 4
LCH4.L-1
.d-1
(Montalvo, 2003) para cargas de
hasta 5 g SV.L-1
.d-1
.
El principal problema que presentó el
RAFAELL durante su operación fue la
acumulación de ácidos grasos volátiles (Gráfica
5) lo que provocó una disminución en el pH,
Gráfica 6. El control del pH en el RAFAELL se
realizó adicionando al cárcamo de bombeo el
volumen necesario de una solución 5 N de
hidróxido de sodio, sin embargo, después de 12
horas el pH volvió a descender, este
comportamiento fue periódico en todas las
cargas orgánicas ensayadas. Para aumentar el
poder de amortiguamiento del RAFAELL se
agregó bicarbonato de sodio hasta tener una
relación 1 g HCO3-.g
-1 DQO, dándole mayor
estabilidad al RAFAELL.
7
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 1-7
ISSN-2410-3950
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VIGUERAS-CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José’, VELÁSCO-PÉREZ,
Alejandra’ y ZAFRA-JIMÉNEZ, Gabriela. Diseño y operación de un reactor
anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la
producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016
En la Tabla 2 se muestra de forma
resumida las condiciones de opración y
parámetros de diseño del RAFAELL ensayadas
en este estudio.
Conclusiones
El reactor anaerobio de flujo ascendente
empacado con lecho de lodos (RAFAELL), fue
diseñado considerando los aspectos
bioquímicos de la digestión anaerobia de
residuos sólidos orgánicos. El diseño permite
mejorar la eficiencia del proceso anaerobio,
0.58 m3 biogas.kg
-1 SV, además de facilitar el
control y operación del digestor.
En general el RAFAELL presenta
buena eficiencia de remoción de sólidos
volátiles a las cargas ensayadas (67 %) y
aunque la productividad aún está por debajo de
los valores reportados para sistemas similares,
las cargas orgánicas en el RAFAELL son 10
veces más pequeñas comparado con los
sistemas comerciales (12 g SV.L-1
.d-1
). Por lo
que todavía se debe trabajar en el
establecimiento de la máxima cantidad de
RSUOV que puede soportar el RAFAELL y
determinar su factibilidad operando como un
reactor de lote alimentado.
El principal problema encontrado al
operar el RAFAELL fue el descenso en el pH
(hasta pH 5) durante los primeros días de
digestión de cada lote de alimentación, lo cual
está asociado principalmente a la rápida
producción de AGV en el sistema (llegando
hasta 50 meq AGV.L-1
).
Se deben establecer la máxima cantidad de
RSUOV que puede soportar el RAFAELL,
operado a 35 °C, en el arranque y determinar su
factibilidad operando como un reactor de lote
alimentado (semicontinuo).
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8
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 8-17
Comparación de métodos experimentales para obtener los parámetros eléctricos de
un motor de inducción
REVUELTA-GARCÍA, José*†, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard.
Recibido Julio 20, 2016; Aceptado Septiembre 16, 2016
Resumen
La determinación y medición de los parámetros de un
motor de inducción es una actividad importante en el
diseño y modelado de estas máquinas eléctricas.
Conociendo los parámetros del circuito equivalente de
cualquier motor se pueden realizar simulaciones para
predecir su comportamiento bajo diferentes regímenes
como pueden ser régimen transitorio, régimen en estado
estable o régimen bajo condiciones de una falla
incipiente. Por lo que en este trabajo, se presenta una
metodología alterna para la determinación de los
parámetros eléctricos de un motor de inducción y se
compara con el procedimiento porpuesto por la IEEE
Std 112-2004, obteniendo buena concordancia con
respecto a las evaluaciones realizadas de acuerdo a la norma IEEE 112-2004 y la metodología propuesta.
Motor de inducción, parámetros eléctricos, pérdidas
eléctricas, circuito equivalente
Abstract
The identification and measurement of the parameters of
an induction motor is an important activity on the design
and modeling of these electric machines. Knowing the
equivalent circuit parameters of any electrical motor can
be performed simulations to predict their behavior under
different regimes such as steady state regime or under
conditions of incipient failure. So in this paper, an
alternative low cost methodology for determining the
electrical parameters of an induction motor is presented
and compared with the procedure methodology in the
IEEE Std 112-2004, obtaining good agreement with
respect to assessments under IEEE 112-2004 standard
and the proposed methodology.
Induction motors, electrical parameters, electrical
losses, equivalent circuit
Citación: REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard. Comparación de
métodos experimentales para obtener los parámetros eléctricos de un motor de inducción. Revista de Sistemas
Experimentales 2016, 3-8: 8-17
* Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Ricard. Comparación de métodos experimentales para obtener los parámetros
eléctricos de un motor de inducción. Revista de Sistemas Experimentales 2016
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Introducción
La determinación de los parámetros eléctricos en
los motores de inducción es un tema importante
en el diseño y construcción de los motores
eléctricos con la determinación de sus
parámetros eléctricos, es posible determinar las
pérdidas teóricas, verificar su comportamiento en
el arranque y todos los parámetros de diseño, lo
cual puede ser comprobado posteriormente
durante las pruebas de laboratorio.
El presente trabajo tiene la finalidad de
evaluar y comparar diferentes metodologías de
prueba para la obtención de los parámetros
eléctricos de un motor de inducción. En la
obtención de cada uno de los parámetros se
aplicaron dos métodos y se realiza una
comparación de ambos resultados. Uno de los
métodos para obtener estos parámetros es el
propuesto por la norma IEEE 112-1996:
Standard Test Procedure for Polyphase Induction
Motors and Generators y el otro método se
realiza a partir de mediones directas de cada uno
de los componentes del motor considerando
equipo convencional.[2]
.
Desarrollo
En primer término se realizo la determinación de
parámetros de acuerdo a la metodología
propuesta en la norma IEEE-112 y después se
realizó la determinación alternativa de los
mismos parámetros empleando equipo
convencional y al final se hace una comparación
de los resultados obtenidos con ambas
metodologías.
Determinación de parámetros eléctricos de
acuerdo a IEEE 112-2004
En la norma IEEE, se menciona el procedimiento
para llevar cabo la determinación de los
parámetros eléctricos en un motor de inducción,
esta metodología se realiza de acuerdo al
siguiente procedimiento:
Prueba para determinar la resistencia del
estator
La medición de la resistencia del estator (Rs) se
puede obtener alimentando con una fuente de
corriente directa los devanados del estator.
Experimentalmente se puede realizar de dos
formas principalmente:
1. La resistencia efectiva por fase del estator
a corriente directa, se pudiera medir
aplicando una alimentación a los
devanados del estator mediante una
fuente regulable de corriente directa y
luego aplicar las correcciones del efecto
pelicular y la corrección por temperatura
(Recomendada por la norma IEEE).
2. La resistencia efectiva por fase del estator
a corriente directa, se pudiera medir
mediante un puente de RLC, luego se le
aplicaría la corrección por temperatura
(Método experimental).
En este trabajo se verá el propuesto por la
IEEE; a la resistencia obtenida se le aplicará una
corrección por temperatura. La corrección por
temperatura permite obtener la resistencia a la
temperatura de trabajo. La prueba para
determinar la resistencia del estator se realiza a
corriente continua, pues de esta forma no hay
tensión inducida en el circuito del rotor y no hay
flujo de corriente resultante en él. Además la
reactancia del motor es cero a corriente directa [1]
.
10 Artículo Revista de Sistemas Experimentales
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Por lo tanto lo único que va a limitar el flujo
del corriente en el motor es la resistencia en el
estator.
Medición alimentando el embobinado con una
fuente variable de corriente directa
Para la realización de este ensayo se utilizaron
un ampérmetro, un vóltmetro y una fuente
variable con las siguientes características
descritas en la tabla 1.
Instrumento Caracteristicas Cantidades
Fuente de Voltage
DC variable
Topward
6303D-1
0 V-500 V
1
Amperímetro Fluke 337
600 V, 1000 A
1
Voltímetro Fluke 87-V 1
Tabla 1 Instrumentos utilizados en la prueba.
El diagrama de conexión del motor a la
fuente de alimentación de corriente continua se
hace de la siguiente manera:
Figura 1 Diagrama de conexión para medir la resistencia
de estator.
Se realizaron las mediciones de la
resistencia del estator entre cada una de las fases
(1-2, 2-3 y 1-3), y los resultados se muestran a
continuación en la tabla 2.
Bornes Amperímetro (A) Voltímetro (V)
1-2 1,4 26,8
2-3 1,4 27
3-1 1,4 26,9
Tabla 2 Mediciones de la resistencia del estator.
Con la reducción del circuito equivalente
por medio de la conversion estrella- delta,
encontramos la resistencia del estator como:
Figura 2 Circuito equivalente resultante de la resistencia
del estator.
Donde:
Rcd: Resistencia a corriente directa (ohms)
Vcd: Voltaje a corriente directa (Volts)
Icd: Corriente directa nominal. (Amperes)
Esta resistencia fue medida a una
temperatura ambiente de 25 °C. Para lograr
obtener una resistencia del estator lo más
cercano a las condiciones de trabajo del motor se
realiza una corrección por temperatura. La
siguente expresión es la recomendada por la
IEEE [2]
.
Donde:
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Ra: Resistencia que se conoce a una
temperatura ta (ohms).
ta: Temperatura a la que fue medida
Ra(°C).
tb: Temperatura a la cual se requiere hallar
Rb (°C).
Rb: Resistencia que se desea determinar a
una temperatura tb (ohms).
k1: es 234.5 para 100 % cobre, o 225 para
el aluminio [2]
.
El motor permite un aumento de la
temperatura de 40 °C por encima de la
temperatura ambiente. Se determinó la
resistencia del estator a 65 °C y se obtuvo el
siguiente resultado:
Conclusión de la prueba de corriente
directa.
La resistencia de estator (Rs) es igual a
11.1291 Ω.
Prueba en vacío
La prueba en vacío a un motor de inducción es
de gran importancia pues permite determinar las
pérdidas rotacionales del motor e información
acerca de los parámetros del núcleo. Esta prueba
consiste en hacer girar el motor sin ninguna
carga en el eje y alimentado por el estator a
frecuencia nominal y tensión nominal. En la
figura 3 se muestra el esquema de conexión
utilizado para realizar esta prueba.
Básicamente lo que muestra el esquema es
la conexión de un analizador de redes en la
entrada de la alimentación del motor. La prueba
se realizó de manera tal de que el aumento de la
tensión fuera de manera controlada hasta llegar
la tensión nominal del motor.
Figura 3 Esquema para el ensayo en vacío.
En la tabla 3, se muestra los resultados de
las mediciones obtenidas para la prueba de vacío
del motor de inducción en cuestión.
Incremento del Voltaje (%) 10 30 50 70 90 100 110
Voltaje de fase (V) 13.8 38.2 63.2 88.8 114.2 127.3 134
Voltaje de línea (V) 22.2 65.9 109.8 154.2 198.3 220.2 232.5
Corriente de fase (A) 0.3 0.5 0.7 0.9 1.2 1.5 1.7
Potencia absorbida (kW) 0.02 0.02 0.03 0.05 0.09 0.11 0.13
Factor de potencia 0.29 0.29 0.3 0.3 0.3
Tabla 3 Resultados de la prueba de vacío.
La única carga en el motor son las pérdidas
por fricción y por rozamiento con el aire, por lo
que todas las Pconv del motor se consumen en
pérdidas mecánicas y el deslizamiento del motor
es muy pequeño (alrededor del 0.001) [1]
. En la
figura 4, se puede ver el circuito equivalente de
este motor.
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Con este deslizamiento tan pequeño, la
resistencia que corresponde a la potencia
convertida, RR(1− s)/s, es mucho mayor que la
resistencia que corresponde a las pérdidas en el
cobre del rotor RR y mucho mayor que la
reactancia del rotor X2. En este caso, el circuito
equivalente se reduce aproximadamente al
último circuito de la figura 4. En donde el
resistor de salida está en paralelo con la
reactancia de magnetización XM y las pérdidas en
el núcleo RC.
Figura 4 Circuito equivalente de motor de inducción.
Las pérdidas en el cobre del estator se
calculan mediante la expresión:
(3)
Donde:
Ppce: Pérdidas en el cobre del estator.
I1: Corriente medida a tensión nominal.
Para un motor de inducción en marcha en
vacío, la potencia de entrada viene dada por:
(4)
Donde:
P0: Potencia de vacío.
Pnúcleo: Pérdidas en el núcleo.
Pf y r: Pérdidas por fricción y rozamiento.
Pmiscel: Pérdidas por miscelánea.
Las pérdidas rotacionales de un motor de
inducción se puede expresar por medio de:
(5)
Despejando de la ecuación (4) se obtiene
que:
(6)
Sustituyendo los valores se obtiene que:
Prot= 34.88 W
Prueba a Rotor Bloqueado
La prueba de rotor bloqueado en un motor de
inducción se llevó a cabo para determinar los
parámetros del circuito equivalente del motor.
Cuando se menciona prueba de rotor bloqueado
en un motor de inducción, es similar a decir
prueba de cortocircuito un transformador.
Bloqueo total de rotor del motor de inducción
Este es el método más común de realizar esta
prueba. Consiste en bloquear de una forma
segura logrando así que este no gire. Bajo la
condición de rotor bloqueado el deslizamiento es
(s=1) y la resistencia de carga R2 será próximo a
cero.
Para realizar la prueba se alimenta el motor
con una fuente de corriente alterna y se ajusta el
valor de la tensión de alimentación hasta
alcanzar la corriente nominal a plena carga;
cuando se alcanza este valor de corriente se mide
el valor de tensión alacanzado y la potencia que
se consume en el motor. En la figura 5 se
muestra las conexiones para esta prueba.
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Figura 5 Esquema de prueba a rotor bloqueado.
Parámetro Fase A Fase B Fase C Total
Voltaje de Fase 25.9 V 26 V 25.8 V
Voltaje de Línea 44.6 V 44.5 V 44.5 V
Corriente de
línea 1.3 A 1.4 A 1.4 A
Frecuencia 59.97 Hz
Potencia activa
0.02
kW
0.03
kW
0.03
kW
0.08
kW
Potencia activa
0.03
kW
0.04
kW
0.04
kW
0.11
kW
Potencia activa
0.02
kW
0.03
kW
0.03
kW
0.07
kW
Factor de
potencia 0.71
Tabla 4 Resultados de la prueba a rotor bloqueado.
Como se había dicho anteriormente puesto
que el rotor no se mueve, el deslizamiento (s=1)
y por lo tanto la resistencia del rotor (RR/s) es
igual a RR (un valor bastante pequeño). Debido a
que RR y X2 son tan pequeños, casi toda la
corriente de entrada fluye a través de ellos, en
lugar de a través de la reactancia de
magnetización XM que es mucho más grande. Por
lo tanto, el circuito en estas circunstancias se ve
como una combinación en serie de X1, Rs, X2 y
RR [1]
, como se observa en la figura 6.
Figura 6 Circuito equivalente sin la rama del núcleo.
A partir de las mediciones de los
parámetros de esta prueba y utilizando como
guía el circuito de la figura 6, se obtuvieron los
siguientes parámetros:
(7)
Donde:
IL prom: Corriente de línea promedio en
(Amper).
La impedancia a rotor bloqueado se puede
calcular mediante:
(8)
Donde:
ZRB: Impedancia a rotor bloqueado en
(Ohms).
O podría también calcularse mediante:
(9)
Se puede determinar la resistencia a rotor
bloqueado (RRB) mediante la siguiente
expresión:
(10)
Donde:
RRB: Resistencia a rotor bloqueado (Ohms).
ϴ: es el ángulo del factor de potencia
(44.765°).
Si se observa el circuito equivalente de la
figura 2.1.3.1,
(11)
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Despejando la ecuación y sustituyendo el
valor de la resistencia del estator se obtiene que:
De manera similar se calcula la reactancia
a rotor bloqueado (XRB):
(12)
De acuerdo a la norma IEEE 112 para los
motores de inducción clase B la relación:
(13)
Por lo tanto:
La reactancia en el rotor sería:
Solo queda determinar la reactancia de
magnetización, la cual es igual a:
(14)
Donde:
XM: Reactancia de magnetización.
Zsc: Impedancia sin carga.
La impedancia sin carga se obtiene
mediante la expresión:
(15)
Sustituyendo en la ecuación (15) se
determina que la reactancia de magnetización
(XM) es de 79.46 Ω.
Resultados
En un resumen de resultados obtenidos
mediantes las pruebas realizadas siguiendo la
IEEE 112-2004, se obtienen los parámetros de
circuito equivalente del motor de inducción.
Figura 7 Circuito equivalente con los parámetros
calculados.
Resistencia de estator
Utilizando el procedimiento de la norma IEEE:
Rs=11.1291 Ω.
Prueba de vacío
Ppce= 75.12 W
Prot= 34.88 W
Prueba a rotor bloqueado
Utilizando el procedimiento de la norma IEEE:
Rr=1.954 Ω
XM= 79.46 Ω
X1= 5.198 Ω
X2=7.797 Ω
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Determinación de parámetros eléctricos por
medios experimentales alternativos
A continuación se describe la metodología
alternativa para la determinación de parámetros
de un motor de inducción, considerando el uso
de equipamiento convencional, para esto se
utilizaron los siguientes equipos que se
mencionan en la tabla 5.
Instrumento Caracteristicas Cantidades
Puente RLC GWINSTEK
LCR-916
1
Amperímetro Fluke 337
600 V, 1000 A
1
Voltímetro Fluke 87-V 1
Tabla 5 Instrumentos utilizados.
Los parámetros determinados fueron los
mismos que la norma IEEE-112, para su
posterior comparación.
Prueba para determinar la resistencia del
estator
El esquema de conexión para medir la resistencia
de estator con el puente RLC, se muestra en la
siguiente figura:
Figura 8 Esquema de conexión del puente RLC.
Para la utilización del puente RLC
primeramente se calibró de acuerdo al
procedimiento descrito en el manual de
operación y se midió la resistencia del estator.
Los resultados se muestran en la siguiente
tabla 6.
Bornes Impedancia
1-2 18.35∟57° Ω
2-3 18.32∟56.9° Ω
3-1 18.34∟57.2° Ω
Tabla 6 Resultados utilizando el puente.
Convirtiendo a forma binómica las
impedancias del estator se obtiene que:
Z=9.99+j15.35
Se dice entonces que la resistencia del
estator a una temperatura de 25°C es de 9.99 Ω,
realizando la conversión de acuerdo a la norma
IEEE 112, la resistencia del estator a la
temperatura de trabajo del motor se tiene que:
Sustituyendo el nuevo valor de resistencia
en la expresión de la ecuación (2) se obtiene
La resistencia de estator (Rs) es igual a
11.531 Ω.
Cálculo de pérdidas
Utilizando los resultados obtenidos en la prueba
de vacío en cuanto a la corriente se refiere se
calcula las pérdidas del motor.
(17)
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Se calculan las pérdidas rotacionales:
(18)
Sustituyendo los valores se obtiene que:
Prot= 32.17 W
Medición de los parámetros del rotor
mediante el puente RLC
Mediante el puente RLC se realiza una medición
directa en el rotor. La medición se realizó
colocando los electrodos de medición
directamente en los anillos de cortocircuito del
rotor. Esta medición arrojo como resultado que
la impedancia en el rotor es de 0.001∟1.3° Ω
que convirtiendolo a su forma binómica en
Z=0.0099+j0.000268. Como se puede apreciar
medir el rotor de esta manera no es correcto pues
el resultado arrojado es completamente erróneo.
Prueba de rotor bloqueado alternativa
La prueba a rotor bloqueado se puede realizar sin
la necesidad de bloquear el rotor, solo aplicando
la corriente nominal al estator del motor de
inducción. Este procedimiento consiste en retirar
el rotor del motor, aplicando unicamente el valor
de la corriente nominal al estator por medio de
una fuente variable de corriente y se incrementa
la corriente hasta lograr la nominal, en ese punto
se tomaron las mediciones siguientes:
Parámetro Fase A Fase B Fase C Total
Voltaje de Fase
21.07
V
21.06
V 21.08 V
Voltaje de Línea 36.6 V 36.4 V 36.6 V
Corriente de
línea 1.4 A 1.4 A 1.4 A
Frecuencia 60 Hz
Potencia activa
0.02
kW
0.03
kW 0.02 kW
0.07
kW
Potencia activa
0.03
kW
0.03
kW 0.04 kW 0.1 kW
Potencia activa
0.02
kW
0.03
kW 0.02 kW
0.07
kW
Factor de
potencia 0.7
Tabla 7 Tabla de resultado.
Aplicando la misma metodología para el
cálculo de los parámetros de acuerdo a la norma
IEEE-112, se obtienen los siguientes resultados.
IL prom = 1.4 A
ZRB = 15.57 Ω
RRB = 10.53 Ω
Rr = 0.79 Ω
XRB = 13.248 Ω
XM = 79.301 Ω
X1 = 5.299 Ω
X2 =7.949 Ω
Comparación de resultados.
Después de haber obtenidos todos los parámetros
del circuito equivalente del motor de inducción
utilizando los dos métodos, se puede realizar una
tabla comparativa para ver las desviaciones
respecto a cada una de las metodologías como se
muestra
17 Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 8-17
REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS,
Ricard. Comparación de métodos experimentales para obtener los parámetros
eléctricos de un motor de inducción. Revista de Sistemas Experimentales 2016
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Parámetros Resultados
(IEEE)
Resultados
(Ensayos)
%
Diferencia
Rs 11.1291 Ω 11.531 Ω 3.48
Rr 1.954 Ω 0.79 Ω 58
XM 79.46 Ω 79.301 Ω 0.2
X1 5.198 Ω 5.299 Ω 2
X2 7.797 7.949 Ω 1.91
Ppce 75.12 W 77.83 W 3.4
Prot 34.88 W 32.17 W 7.79
Tabla 8 Tabla de resultados generales.
Como se observa la diferencia de
resultados entre en un método y otro es muy
pequeña solo existe una gran diferencia en el
valor obtenido de la resistencia del rotor, esto es
debido a que no se considera dentro de la
medición la reactancia de dispersión debido a los
materiales del rotor tomando en cuenta
únicamente el campo magnético del estator en la
velocidad de sincronismo, aunque esta diferencia
es menor del 1%.
Conclusiones
El método alternativo implementado sirve para
determinar los parámetros en un motor de
inducción. Se recomienda seguir los criterios
establecidos por la IEEE, pero en una situación
donde no se tengan las condiciones necesarias
para cumplirlas, este método alternativo puede
ser una variante que permite estimar de manera
aproximada los parámetros del circuito.
Agradecimiento
Quisiera agradecer a CONACYT por la beca
otorgada para realizar mi Maestría en Ingenieria
Eléctrica en la Universidad de Guanajuato. A
mis compañeros de la maestría por el apoyo en el
desarrollo de este trabajo.
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18
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Navegación multi-objetivos para robots móviles en entornos con obstáculos
VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J*†, PORTILLO-VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y PORRAGAS-
BELTRÁN, L. Universidad Veracruzana, Lomas del estadio s/n, Edificio
Recibido Julio 4, 2016; Aceptado Septiembre 5, 2016
Resumen
En este trabajo se plantea una estrategia de navegación
con objetivos para robots móviles, basada en condiciones
geométricas de un entorno de trabajo El problema se
aborda a partir de descomposiciones y triangulaciones
poligonales del espacio de trabajo; y un controlador
asíntótico que permite a los robots desplazarse de un
punto a otro sin conocimiento inicial de las condiciones
del ambiente. En la estrategia se diseña un algoritmo de
generación de rutas basado en características de
visibilidad hacia una meta global en función de la
existencia de obstáculos fijos o móviles, mismos que
permiten definir la existencia de puntos auxiliares de
control como mínimos locales en el problema de
convergencia hacia una meta global. El proceso involucra
conmutaciones de referencias cuando, sin que se haya
alcanzado un mínimo local, el robot encuentre mejores
condiciones de posicionamiento con visibilidad plena
hacia el objetivo.
Robot móvil, Navegación, Obstáculos móviles,
Colisión
Abstract
This paper addresses the navigation problem for mobile
robots under uncertain working conditions. It is assumed
that the environment is unknown at the beginning of any
experiment and that a visual feedback module supports
the navigation strategy to make a set of robots achieve a
goal in an environment with obstacles. The proposed
navigation algorithm depends on the obstacle
localization, and it is based on visibility conditions of the
goal and control points that are defined from the
geometric distribution of the environment.
Mobile Robot, Navigation algorithm, mobile obstacles
Citación: VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J, PORTILLO-VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y PORRAGAS-BELTRÁN,
L. Navegación multi-objetivos para robots móviles en entornos con obstáculos. Revista de Sistemas Experimentales
2016, 3-8: 18-26
*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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móviles en entornos con obstáculos. Revista de Sistemas Experimentales
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Introducción
Problemas como exploración y transporte de
materiales requieren de soluciones que pueden
ser atendidas por algoritmos de navegación
autónoma de un conjunto de robots móviles
trabajando de forma sincronizada. En general,
los algoritmos para navegación de robots
móviles han tenido un creciente en la
actualidad. En [7] se presenta una revisión del
estado del arte en el tema de navegación para
robots móviles. Con respecto a la generación de
esquemas que doten de autonomía a un robot
para poder desplazarse ágilmente en un entorno
desconocido, algunos enfoques importantes
usan herramientas probabilísticas de
localización [2], [4]; mientras que en [3] se
implementa una estrategia de navegación
haciendo uso de localización basada en
sistemas inalámbricos sensoriales. Con respecto
a las condiciones de colisión entre robots en
entornos con obstáculos, en [14] se desarrolla
una revisión de esquemas de navegación con
obstáculos. Los métodos de reconocimiento y
modelado del entorno han sido abordados en
[8], donde se aborda una estrategia basada en
redes neuronales, o en [12], donde la
conectividad de diversos puntos sensoriales
define el espacio de trabajo, o en [13], donde se
desarrolla un mapeo basado en sensores y
cuadriculas de ocupación.
Por su parte, la consideración de
obstáculos móviles cuando más de un robot se
desenvuelve en un entorno, define un obstáculo
en movimiento con el que hay que lidiar. En
[15] se aborda la definición de puntos de
control para efectos de guía en ambientes con
objetivos dinámicos. Para problema de
navegación con objetivos, enfoques como [10]
abundan en el problema clásico de un par de
agentes en el que uno de ellos busca atrapar al
otro en un espacio poligonal cerrado. En ese
trabajo se definen algoritmos de avance y
localización garantizando una convergencia al
objetivo en tiempo finito.
La definición de espacios de trabajo
mediante segmentos poligonales también es
tratada en [11], donde mediante un sistema de
visión, un robot puede navegar de un punto a
otro. En [5] se abordan propiedades de
descomposición de polinomios convexos para
la implementación de el algoritmo de
navegación A*.
En este trabajo se propone una estrategia
de navegación mediante polígonos definidos
por los obstáculos en un entorno de trabajo;
dichos polígonos son la base de la definición de
los puntos de referencia que permiten a un
conjunto de robots construir su trayectoria hacia
la meta. Se considera para efectos
demostrativos el uso de dos robots, cuya
perspectiva individual den entorno considera
obstáculos fijos, así como unobtaculo móvil
dado por el otro robot siguiendo su propia
trayectoria.
El trabajo está estructurado como sigue:
en la Sección 2 se describe a detalle el
problema abordado y la estrategia general a
seguir, incluyendo la definición del entorno de
trabajo y el algoritmo de navegación. En la
Sección 3 se aborda el sistema de control y una
discusión general sobre la convergencia en
tiempo finito del algoritmo para cada robot. La
plataforma experimental y descripción de los
experimentos es tratada en la Sección 4 y,
finalmente, se presentan algunas conclusiones y
trabajo futuro en la Sección 5.
Definición del problema
El escenario de trabajo considera dos robots del
tipo diferencial cuya tarea consiste en
desplazarse desde un punto inicial hasta una
meta global individual Mm cuya posición es
conocida, en un entorno con obstáculos
originalmente desconocido.
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La posición de cada robot y los
obstáculos es determinada por un sistema de
localización absoluta fijo en la parte superior
del espacio de trabajo. Aunque el problema
bien podría definirse para un conjunto de n
robots, en cuyo caso se dispondría de un
ambiente dinámico genera con obstáculos en
movimiento, en este trabajo se plantea la
definición de una estrategia para solo dos de
ellos sin pérdida de generalidad.
En la Figura 1 se muestra el ambiente de
operación de los robots Rm cuya meta esta
dispuesta de tal forma que deban evadirse k
obstáculos para alcanzarla.
El método de navegación y arribo a la
meta, considera el uso de puntos de control Pc
que se definen mediante triangulación
poligonal. Los puntos de control definidos
desempeñan el papel de mínimos locales que
mediante un controlador asintótico bien
definido son buscados a fín de que el robot Rm
pueda posicionarse mejor para alcanzar el
mínimo global definido por la meta Mm.
Figura 1 Escenario de trabajo.
A. Triangulación y Puntos de control
El robot Rm parte de una posición Prm = [xr(0),
yr(0), Өr(0)]T, con conocimiento pleno de la
posición de la meta, PMm = [xMm, yMm]T,
constante. Por otro lado, el acceso en tiempo
real a un sistema de localización absoluta,
permite identificar la posición de cada posible
obstáculo Poj = [xoj , yoj ]T, con j = 1, 2...k.
Antes de comenzar la navegación por parte del
robot Rm, se lleva a cabo una reconstrucción
preliminar del área de trabajo, la cual ubica y
considera la distribución de obstáculos y resto
de robots en el mismo espacio para identificar
una posible ruta. En función de esta
información, se define un polígono, utilizando
como vértices, los puntos Poj que definen la
posición de cada obstáculo. Naturalmente, la
definición del polígono puede tener múltiples
formas, por lo que se define en este caso a partir
de un obstáculo aleatorio como vértice inicial
P1 y se analiza una ruta que conecte de manera
continua todos los obstáculos sin intersección
hasta regresar al vértice inicial. De este modo,
el resultado es un polígono de k lados, el cual
se divide para la obtención de (k – 2) triángulos
[6] como se observa en la Figura 2.
Los puntos de control Pci, con i = 1, ...,
(2k −3), eventualmente tendrán el papel de
mínimos locales, y se definen como los puntos
medios de los (2k−3) trazos resultantes de la
definición del polígono y su triangulación, tal
como se muestra en la misma Figura 2. Nótese
que la triangulación reduce una forma compleja
en una colección de formas geométricas
simples mediante diagonales internas sin
intersección, definidas mediante a
interconexión de dos vértices no consecutivos
dentro del polígono [16].
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Figura 2 Triangulación y puntos de control.
Estos puntos sirven de referencia cuando
la meta Mm no es alcanzable; en este caso, el
robot Rm deberá decidir sobre cuál punto de
control Pci es adecuado para reposicionarse en
busca de una mejor visibilidad de la meta. Esto
sin embargo, no implica que deba pasar por
todos los puntos definidos, lo que definiría una
solución poco práctica en tiempo de
convergencia. Consecuentemente, es necesario
identificar el progreso del robot hacia la meta a
través de una métrica de desarrollo δr, la cual
que indique la evolución del proceso de tal
modo que se garantice la llegada del robot a la
meta en un tiempo finito.
B. Algoritmo de navegación
Dado el conocimiento de la posición de la meta,
se define una función lineal ξsegm cuyo dominio
γξm es tal que |Prxm | ≤ γξm ≤ |PMxm |, esto es, se
define a partir del rango de coordenadas de la
posición del robot Rm a la meta Mm a lo largo
del eje X. Esta función en todo momento es
evaluada con respecto a su continuidad, la cual
está asociada con la posible intersección con
obstáculos como se muestra en la Figura 3,
donde claramente R2 pierde visibilidad hacia su
respectiva meta debido a la presencia de un
obstáculo.
De esta manera, la visibilidad de la meta
desde el robot puede definirse como sigue:
Figura 3 Evaluacion de visbilidad hacia la meta.
∅ si ∃ γ ∈ γξm : ξ(γ) = ηj(γ)
ξseg =
(1)
ξ (PMm, PRm) en otro caso
Donde ηj(.) define una área de influencia
de un obstáculo i, que por simplicidad se define
de forma circular, como lo muestran las zonas
sombreadas en la Figura 2.
La ecuación (1) define una posible
pérdida de visibilidad cuando el segmento
lineal que une la meta Mm con el robot Rm,
coincide con un obstáculo en un dominio
común γ ∈ γξm en cuyo caso ξseg no está
definida. En esta instancia, en busca de una
nueva ruta libre de obstáculos, se plantean
objetivos parciales de control que
eventualmente permitirán al robot posicionarse
mejor y definir nuevamente la función ξ (PMm,
PRm), ahora con visiblidad a la meta.
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El algoritmo parte de un escenario con los
(2k −3) puntos de control dentro del polígono
definido por los obstáculos. Cuando el robot
tiene definida una referencia de control dado
por alguno de ellos, entonces tal punto de
control Pci representa un mínimo local y será
buscado por un controlador asintótico definido
en coordenadas polares como [1],
ν= kp ρ
ω = kα + kϕϕ
(2)
Donde ρ = ||PMm – PRM||, kp, kα y kϕ
son ganancias de control, con parámetros
auxiliares α y ϕ definidos en la Figura 4, donde
se describe gráficamente la ciemática de los
robots con respecto a la definición de la
estrategia de control de la ecuación (2).
Figura 4 Cinemática del robot .
La estrategia de arribo a la meta global
Mm, consiste en evaluar la interferencia de los
segmentos lineales ξ (PMm, PRm) con posibles
obstáculos. En función de ésto y de acuerdo a la
ecuación (1), al existir visibilidad plena el robot
buscará la meta, o bien, al ser interrumpido el
segmento lineal, el esquema de navegación
determinará algún punto de control desde donde
se garantice una visibilidad hacia Mm.
Sin embargo, bajo esta descripción
general no existe garantía de lograr el objetivo
global, puesto que múltiples puntos de control
pueden satisfacer las condiciones de visibilidad
o al contrario, pueden ser visibles para el robot,
pero representan una situación sin más
posibilidades de dirección; en este caso el robot
puede quedar detenido en un mínimo local sin
posibilidad alguna de continuar. Situaciones
como ésta se muestran en la Figura 5, donde se
muestra un caso de bloqueo y un caso con un
comportamiento deseado a partir de una misma
posición de un robot mediante conectividad de
puntos de control.
Figura 5 Casos de desempeño de ruta de robot .
Sistema de control y convergencia en tiempo
finito
La solución trivial al problema de
convergencia, se presenta cuando el robot
dispone de una ruta visible ξ(PMm, PRm) a la
meta, en cuyo caso, el controlador (2), siendo
globalmente asintóticamente estable, garantiza
la convergencia a la misma.
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Sin embargo, en presencia de un
obstáculo j que impida la visibilidad directa,
esto es que ξseg = ∅, el robot determinará como
objetivos parciales de control alguno de los
puntos de control predefinidos, de tal modo que
la métrica de progreso δr tenga un
comportamiento monótono que garantice el
arribo a la meta en un tiempo finito.
Considérese el monitoreo del progreso de
navegación a partir de,
δr = ||PMm − PRm||
(3)
con un comportamiento deseado de la
forma,
lim t→∞ δr = 0, (4)
Que en términos prácticos sugiere que el
robot debe acercarse en todo momento a la
meta, lo que a su vez delimita a los puntos de
control a aquellos que además de la visibilidad,
muestren una tendencia a acercarse a la meta.
Para tal efecto, la toma de la decisión sobre qué
punto de control Pci es elegido como
referencia, se hace mediante la evaluación de
dos condiciones: deberá ser el punto de control
más cercano a Mm que sea visible por P, y
deberá existir una ruta que conecte uno o varios
puntos de control que concluya con visibilidad
plena a la meta Mm. Esto garantiza que la
distancia δr se reduzca y se expresa como,
Pcref = [xi, yi]T ∈ ξ (Pci , Prm)|min(||Pci −
PMm||) ,
∃Pci+z | ξ (Pci+z , Pm) = ∅
(5)
Para i = 1, 2...(2k −3) y con z un índice
que define algún punto de control posterior a
Pci . De este modo, el punto de control visible
más cercano a la meta o con salida a la misma,
Pcref, tendrá el papel de referencia y el robot
buscará llegar a él.
Existe sin embargo, una situación
importante para el cumplimiento de (4) en un
tiempo aún menor que el destinado a lograr los
correspondientes puntos de control. Aunque la
ruta generada por el algoritmo puede asociar a
más de un punto control, se establece que en
todo momento es prioridad la visibilidad de la
meta, por lo que durante el proceso de arribo a
un punto de control que cumpla con las
condiciones (5), éste puede ser interrumpido si
la meta logra ser visible. En ese caso, el robot
se direcciona en el mismo momento que
encuentra la meta y ésta se vuelve la nueva
referencia en el control. Se trata de un sistema
de interrupciones o ”switcheos” cuya
convergencia puede ser analizada bajo
determinadas circunstancias [9]. El esquema de
conmutación se muestra en la Figura 6.
Por otro lado, para garantizar un
comportamiento del error decreciente,
independientemente de las interrupciones, se
deben tener presente el desempeño del
controlador (2), el cual garantiza estabilidad
exponencial basado en la cinemática del robot
móvil diferencial en coordenadas polares ( ρ y
α). En [1] está demostrado que el movimiento
de un punto inicial a uno final del robot, es
suave y robusto, garantizando la convergencia
exponencial con,
kρ > 0, kϕ < 0,
kα + kϕ − kρ > 0. (6)
Figura 6 Sistema con conmutaciones.
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Como se ha mencionado, esta estrategia
de control es usada para posicionar al robot Rm
a cualquier referencia aunque, éstas no
necesariamente deban ser alcanzadas totalmente
en vista de la repentina visibilidad de la meta
global. En este escenario, aunque la estabilidad
local y global con respecto a un punto de
control es garantizada, la convergencia a la
meta requiere la satisfacción de las condiciones
(5).
Plataforma experimental y resultados
La plataforma de experimentación consiste en
un par de robots diferenciales I-Create®
en un
espacio de trabajo cubierto por un sistema de
localización absoluta que consta de una cámara
digital. Se dispone de una PC como sistema de
control central con comunicación inalámbrica
con cada robot, que han sido adaptados con
un módulo de comunicación Bluetooth; y vía
alambica con la cámara que identifica en
tiempo real la posición de los obstáculos y de
cada robot.
En la Figura 7 se muestra la plataforma
experimental descrita.
Figura 7 Plataforma experimental.
En la Figura 8, se describe el
funcionamiento general del algoritmo muestra
la operación de los experimentos en su
funcionamiento general.
Figura 8 Algoritmo general de funcionamiento.
El robot Rm es posicionado
aleatoriamente en el espacio de trabajo, y es
capaz de identificar, con apoyo del sistema de
localización, los elementos involucrados para
definir una ruta que eventualmente termine en
la meta. La duración del experimento es
proporcional al número de obstáculos y el
efecto de los mismos con respecto a la función
de visibilidad.
Los siguientes resultados muestran un
experimento con dos obstáculos fijos, por lo
que cada robot percibe tres obstáculos, dos fijos
y uno móvil. Cada robot parte de una posición
aleatoria en el plano XY de operación de 3 m x
2 m.
En la Figura 9 se observa las rutas
desarrolladas por cada robot al comenzar en una
posición aleatoria del plano, con las metas
definidas en el otro extremo correspondiente.
Nótese la presencia de dos obtáculos y la zona
de influencia de cada uno de ellos, defiinida por
una función circular de 10cm de radio.
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Es necesario remarcar que una estrategia
de evasión de colisión entre los dos robot se ha
implementado de manera simple de tal modo
que cuando cada robot entra en la zona de
influencia de otro en movimiento, se establece
un criterio de prioridad, en el que el robot más
cercano a su meta contnúa avanzando, mientras
el otro se detiene hasta recuperar la ruta libre
con visibilidad al objetivo correspondiente. En
la Figura, esta situación es susceptible de
ocurrir ya que ambos robot intersectan su
trayectoria en busca de sus metas.
Figura 9 Rutas desarrolladas por cada robot.
El desempeño del controlador se muestra
en la Figura 10, donde se puede apreciar el el
comoportamiento de la distancia hacia la meta
global, en trayectorias repetidas,
correspondientes al experimento mostrado en la
Figura 9.
Nótese que para ambos robots, el error
inicial decrece con el tiempo en forma repetida,
dependiendo la referencia que se actualiza. La
gráfica muestra un desemeño global, por lo que
las referencias locales dadas por los puntos de
control, se perciben de forma mínima en las
conmutaciones señaladas, que se producen
cuando mejores condiciones de visibilidad
surgen.
Figura 10 Rutas desarrolladas por cada robot.
Conclusiones
Los resultados obtenidos validan el
planteamiento de navegación propuesto en este
trabajo de un modo práctico, permitiendo a un
conjunto de robots, desarrollar una estrategia de
navegación en un entorno desconocido
inicialmente. Como parte del algoritmo, se han
definido criterios que garantizan la
convergencia del objetivo de control en tiempo
finito. El trabajo marca la pauta para definir un
escenario más realista, que considere un
entorno con una aplicación real en un entorno
no controlado; esto sugiere una mejora del
trabajo en el que el sistema de
retroalimentación visual este a bordo del
vehículo, de tal modo que el espacio de trabajo
pueda extenderse. Nótese que el algoritmo de
navegación es general y por lo tanto puede ser
aplicado a otro tipo de robots móviles que
utilicen un controlador asintótico.
Una mejora adicional que se ha identificado, es
una limitante en las velocidades que el robot
puede desarrollar asegurando estabilidad del
sistema. Esto se debe a la velocidad de captura
de la cámara usada como retroalimentación de
posición, por lo que una solución inmediata
consiste en adquirir un dispositivo de alta
velocidad, o lidiar con alguna estrategia de
compensación del retardo que una baja tasa de
captura induce en la información de posición de
cada robot.
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27
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 27-35
Proceso sustentable de obtención de biodiesel
BAUTISTA-VARGAS, María*†, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ, René’ y
TORRES-MORENO, Ruth.
Universidad Politécnica de Altamira, Programa Académico de Ingeniería en Energía, Dir. Nuevo Libramiento Altamira –
puerto industrial km 1.5, acceso por el km 30 de la carretera Tampico – Mante, C.P. 89600
‘Centro Universitario Tampico-Madero de la Universidad Autónoma de Tamaulipas.
Recibido Julio 7, 2016; Aceptado Septiembre 13, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
La biomasa, se ha convertido en una alternativa viable
para la producción de biocombustibles, como lo es el
biodiesel. En la presente investigación, se muestra la
producción de biodiesel a partir de los residuos de aceite
usado de cocina, mediante el proceso de
transesterificación con la utilización de un procesador
ultrasónico y como catalizadores el hidróxido de potasio
y el metanol. Para la obtención del biodiesel se trabajó en
tres fases, la primera corresponde al filtrado del aceite, la
segunda fase la realización de la transesterificación del
mismo y la tercera fase el lavado del biodiesel con agua
destilada. De acuerdo a la experimentación realizada, se
determinó que en el rango de 30 segundos, de 50 a 100%
de amplitud y un ciclo; en comparació, se obtuvo en
promedio el 95% del volumen procesado a 60 segundos,
con las mismas condiciones, pero contando con la ventaja
de no precalentar el aceite antes de procesarlo. Es por
ello, la necesidad de poder reutilizar los residuos de
aceite de cocina, para llevar a cabo el procesamiento de
estos y convertirlos en un biocombustible, impulsando
así la economía, las energías renovables y la
concientización ambiental.
Energías Renovables, Proceso Sustentable, Resudio de
Aceite Usado de Cocina, Biodiesel, Procesador
Ultrasonico
Abstract
The biomass have coverted in a viable alternative to
biofuels production, how to it´s a biodiesel. In the present
investigation it´s show the biodiesel´s production as of
residue of cooking oil by the transesterification´s process
with it using of the ultrasonic processor and as catalyst
the potassium hydroxide and the methanol. For the
obtention of biodiesel we worked in three phases, the
first phase be responsible to the filter of oil, the second
phase be the realization of the transesterification of the
same and the third phase be the biodiesel´s washed with
distilled water. According to the rewarded
experimentation, themselves determinate to the range of
30 seconds of 50 to 100% of amplitude and a one cicle,
in a comparison, themselves got in a average of 95%
from the processed volume to 60 seconds with the same
conditions, but count with the adventaje of it don´t
preheat the oil before of process it. It´s therefore, the
necessity of we can re-use the residue of cooking oil to
carry out the prosecution of this and convert them in a
biofuel, it´s driving like this the economy, the renewable
energy and the environmental awareness.
Renewable Energy, Sustainable Process, Residue
of Cooking Oil, Biodiesel, Ultrasonic Processor
Citación: BAUTISTA-VARGAS, Marí, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ, René’ y TORRES-
MORENO, Ruth. Proceso sustentable de obtención de biodiesel. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 27-35
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Introducción
El Desarrollo Sustentable, según la Ley General
del Equilibrio Ecológico y Protección al
Ambiente (2013), es el proceso evaluable
mediante criterios e indicadores del carácter
ambiental, económico y social que tiende a
mejorar la calidad de vida y la productividad de
las personas. La presente investigación pretende
atacar los tres criterios, desde el punto
ambiental al reutilizar el Residuo de Aceite
Usado Cocina (RAUC) como materia prima
para la obtención de un biocombustible,
disminuyendo así el daño al medio ambiente
puesto que este habitualmente es vertido a las
aguas y se estima que un litro de aceite
contamina cerca de un millón de litros de agua
(Brito et al., 2007). Desde el aspecto
económico, para un país en desarrollo como lo
es México, la producción de biocombustibles
atiende los problemas que conlleva la
disminución significativa de las reservas de
combustibles fósiles obteniendo en el biodiesel
un sustituto viable de estos (Gónzales et al.,
2011). La nueva industria agroenergética,
implica una cadena productiva que impacta en
forma más directa a los diferentes sectores de la
economía, especialmente en lo referente a la
generación de empleo y desarrollo agrícola y
agroindustrial (Cortés et al., 2008). Y desde el
componente social, al usar el aceite usado de
cocina como material prima del biodiesel no se
compite con el sector alimenticio,
contribuyendo así con la cultura de
concientización ambiental (Hérnandez et al.,
2008).
El Biodiesel, se define como esteres de
mono alquilo constituidos por cadenas largas de
ácidos grasos derivados de los aceites vegetales
o animales como resultado de su
transesterificación (Rivero et al., 2006).
El proceso de transesterificación consiste
en la conversión de los triglicéridos, estéres de
ácidos grasos y glicerol, que conforman los
aceites vegetales en metil o etil estéres de los
mismos ácidos grasos. Lo cual se logra,
tratando a los aceites vegetales con metanol o
etanol en medio ácido o alcalino, obetniendo así
la mezcla correspondiente al biodiesel, y como
subproducto de la transesterificación se obtiene
glicerina (Túqueres, 2015).
La glicerina se puede purificar
calentándola a 65.5 °C para evaporar el
metanol, esto la hace segura al contacto con la
piel, o bien se puede utilizar para producir
metano por pirolisis. El transporte y
almacenamiento del biodiesel resulta más
seguro que el de los Petroderivados, ya que
posee un punto de ignición más elevado. El
biodiesel puro, posee un punto de ignición de
148°C contra los escasos 51°C del gasoil. La
calidad del producto acabado puede
comprobarse visualmente y midiendo su pH, el
cual debe ser 7, tener un color de aspecto de
aceite vegetal con un matiz marrón parecido a
la sidra (Meher et al., 2006; Carta et al., 2009).
El metanol requerido debe ser anhidro y
tener 99% pureza para evitar la formación de
jabones indeseables, se requiere
aproximadamente del 15 al 20 % del volumen
de aceite a procesar (MA y Hanna 1999; Carta
et al. 2009; Franco 2013).
Las bases fuertes como el NaOH y el
KOH son los catalizadores más usados. Estos
hidróxidos presentan altas conversiones a
condiciones moderadas y tiempos de reacción
cortos, además requieren pequeños volúmenes
de alcohol (Mittelbach et al., 2004; Moser,
2009).
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Para el proceso de transesterificación se
utiliza un procesador ultrasónico, el UP400S
(400W, 24kHz) de Reactores Hielscher
ultrasonidos. Las oscilaciones ultrasónicas se
transmiten a través del sonotrodo, que está en
contacto directo con la zona calentada. Este
equipo mejora la eficiencia del proceso de
transesterificación, en un proceso de
transformación convencional los porcentajes de
catalizador y alcohol son mayores, así como la
cantidad de energía térmica aplicada para
favorecer la cinética de reacción (Carta et al.,
2009).
Las ondas de ultrasonido son
imperceptibles para el oído humano, sin
embargo son empleadas en los materiales que
se utilizan para la producción de estos
combustibles. Manejan pequeños pulsos y son
capaces de producir altas temperaturas las
cuales separan la parte más viscosa de los
aceites, cuya fase es esencial en la obtención
del recurso energético. La tecnología de
mezclado ultrasónico continuo de Hielscher,
mejora el rendimiento de biodiesel y reduce sus
costos. La mezcla ultrasónica mejora la
emulsificación de metanol en el aceite y genera
más y más pequeñas gotitas. Esto conduce a
una mejor distribución del catalizador y mayor
eficiencia (Meher et al., 2006, Carta et al,
2009; Prafulla et al., 2012).
Es por ello, la necesidad de poder
reutilizar los RAUC, para llevar a cabo el
procesamiento de estos y convertirlos en un
biocombustible, impulsando así la economía,
las energías renovables y la concientización
ambiental.
Metodología a Desarrollar.
En la presente investigación se utilizo el
método del proceso de transesterificación, para
poder determinar el punto optimo de obtiencion
de biodiesel utilizando el equipo de procesador
ultrasónico. Las fases a desarrollar son las
siguientes:
1. Fase de Filtrado, la cual consiste en
remoción de sólidos suspendidos.
2. Fase del proceso de
Transesterificación, se divide en tres
partes: determinación de la acidez,
preparación de los reactivos y la
muestra, y la utilización del Procesador
Ultrasónico, cuyo equipo fue
proporcionado al programa académico
de Ingeniería en Energía de la
Universidad Politécnica de Altamira por
el Consejo Tamaulipeco de Ciencia y
Tecnología (COTACYT).
3. Fase de lavado, es el sometimiento del
biodiesel para la remoción de residuos.
Resultados
La producción de biodiesel se obtuvo a partir de
RAUC, con el fin de reducir el daño que este
causa al medio ambiente y conocer la
factibilidad de este resudio como materia prima
para lo producción de un biocombustible. Para
la obtención de biodiesel se trabajo en tres
fases: la primera el filtrado del aceite, la
segunda el desarrollo del proceso de
transesterificación utilizado el procesador
ultrasónico y la tercera el lavado del biodiesel
obtenido.
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Fase de Filtrado
Con el fin de elimar los sólidos suspendidos,
producto de los restos de alimentos, del RAUC
recolectado, se diseño un dispositivo de filtrado
mecanico.
Para verificar los resultados se midieron
parámetros físico – químicos a la muestra antes
del filtrado y después del filtrado. Los cuales
fueron el pH, que mide el grado de acidez de
una solución, se basa en la cantidad de iones de
hidrógeno que se encuentran en una solución
dada pH= -log [H+]. Cuya escala es logarítmica
va desde el 0 hasta el 14. El valor de medición
Turbidez, es un parámetro determinante en
muchas aplicaciones. Esto es cierto para el
procesamiento del agua potable y las aguas
residuales, para la elaboración de bebidas y en
el campo químico desde la galvanización hasta
la industria petroquímica. Al aumentar el
número de las partículas aumenta el grado de
turbidez también a simple vista. La forma, las
dimensiones y la composición de las partículas
influyen en el grado de turbidez. Los aparatos
de medición que aplican este método se
denominan nefelómetros. Los turbidímetros o
nefelómetros se diferencian por la fuente de luz
que utilizan. Las unidades en las que se mide la
turbidez son: Unidades Nefelométricas de
Turbidez (NTU). Otros parámetros más
subjetivos fueron el color y el olor de la
muestra.
En la Figura 1, se puede observar el
procedimiento de filtración, obteniedose las
muestras excedentes de sólidos. El dispositivo
para el filtrado, fue construido con un tanque de
un galón, mangueras trasparentes y un filtro de
gasolina que se utiliza en automóviles.
Se construyo dicho dispositivo y se
procedió a filtrar el RAUC minimizando al
máximo los restos de comida que se pudieran
encontrar.
Figura 1 Proceso de Filtración del RAUC.
En la Figura 2, se muestra la realización
de pruebas para su determinación de turbidez.
Figura 2 Pruebas de Turbidez al RAUC filtrado.
En base a esto, en la Tabla 1, se muestran
los resultados de la muestra antes del filtrado y
después del filtrado, donde se pudo obtener una
direfencia en cuanto a valores iniciales que
presento la muestra.
Parámetros Antes del
filtrado
Despues del
filtrado
Olor Quemado Aceite
Color Rojo oscuro Rojo más
Claro
pH 5 6 Tabla 1 Resultados de los parámetros de la muestra
Fase del proceso de Transesterificación
El proceso de trasnesterificación se lleva a cabo
en tres etepas.
1. Determinación de acidez del aceite ya
filtrado.
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Se disolvieron 30 ml de aceite de cocina
usa en 300 ml de alcohol isipropílico a baño
maría por 15 minutos, para obtener 3 muestras
de 110 ml cada una, a las que se les agrego 5
gotas de fenolftaleína por igual. Dichas
muestras se titularon con Hidróxido de Sodio
(NaOH) al 1%. Los mililitros utilizados para
cada muestra se promedian para calcular los
gramos de catalizador a utilizar para un litro de
aceite usado a procesar, de acuerdo a la formula
(1).
(1)
La acidez promedio que se obtuvo fue de
0.6, por lo que para cada litro de aceite usado
de cocina a procesar se utilizaron 4.1 gr de
catalizador, dicho catalizar fue el Hidróxido de
Potasio (KOH). Puesto que de los catalizadores
básicos homogéneos, el NaOH y el KOH
(Túqueres, 2015), este presenta ciertas ventajas
como lo son que la glicerina que queda del
proceso es mucho menos tóxica que cuando se
utiliza el NaOH (Abad et al., 2014).
Preparación de metoxido para
transesterifcación
Se utiliza el 12% del volumen de aceite a
procesar en metanol. El metanol y el etanol son
los alcoholes comúnmente utilizados para la
producción de bidiesel, otros alcoholes como
propanol, isopropanol, butanol y pentanol
pueden ser utilizados, pero estos son mucho
más sensibles a la contaminación con agua, es
decir, que la presencia de agua en mínimas
cantidades impide la reacción (Túqueres, 2015).
Es por ello, que para este trabajo se utiliza
el metanol como catalizador por ser el más
reactivo. Se procesan un promedio de 4 litros de
aceite de cocina usado, por lo que se utilizan
480 ml de metanol y 16.4 gr de KOH, los
cuales se disuelven calentando a reflujo y
agitación constante por 10 minutos para obtener
el metoxido.
Transesterificación en el Procesador
Ultrasónico
Equipo que fue facilitado por el Consejo
Tamaulipeco de Ciencia y Tecnología
(COTACYT), a la Universidad Politécnica de
Altamira (UPALT). La característica principal
de este equipo son las vibraciones sónicas, las
cuales desarrollan la integración y separación
de las sustancias para la obtención de biodiesel.
Sin embargo, al no contar con listado del punto
óptimo, se llevo a cabo la experimentación para
determinar dicho punto, con el fin de eficientar
el proceso de transesterificación. (Figura 3a).
Para ello, se prepararon 60 muestras con
100 ml de aceite de cocina usado y 12 ml de
metoxido cada una las cuales se calientan a 40
°C antes de introducirlas unas por una al
procesador ultrasónico, las cuales se procesaron
a 5, 10, 15 y 20 segundos en amplitudes del 25,
30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100%
respectivamente y a un ciclo en todos los casos.
Después de procesarse, cada muestra es vaciada
a probetas de 100 ml, donde se dejan reposar
por 24 horas. Se nota que la reacción de
transesterificación no se completa, a amplitudes
menores de 40% por lo que se procede a
realizar desde la titulación hasta la preparación
de muestras con otros 4 litros de aceite de
cocina usado, los que procesa nuevamente pero
en los rangos de 50 a 100% de amplitud en
tiempos de 10 a 60 segundos, en intervalos de
10 en cada caso (Figura 3b).
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(a) (b)
Figura 3 Procesador Ultrasonico, COTACYT –UPALT.
Fase de lavado
Después de dejarlo reposar 24 horas se observa
en las probetas dos capas, la glicerina abajo y el
biodiesel arriba (Figura 4), las cuales son
separadas y el biodiesel sometido a un lavado
con agua destilada.
Figura 4 Capas de biodiesel y glicerina.
Analisis de Resultados
En la primera parte del proyecto, se nota que a
bajas amplitudes y poco tiempo, la reación de
trasterificación no se completa, observando 3
capas en las muetras procesadas: aceite,
biodiesel y glicerina. En la segunda prte, donde
se proceso a mayores aplitudes y tiempos, todas
las muetras completaron la reacción.
En el Grafico 1, se observa la relación de
mililitros promedio en el rango de tiempo
obtenidos de biodiesel con respecto a la
amplitud en que se procesaron.
Se observa que a los tiempos de 20 y 30
segundos la producción de biodiesel es la
máxima de los ensayos.
Grafico 1 Biodiesel obtenido.
Sin embargo, se debe tomar en cuenta que
en la transesterificación no solo se obtiene
biodiesel, sino también glicerina; por lo tanto,
contar con una cantidad inferior de glicerina
después de la conversión nos puede significar
una reacción inconclusa; además de que a 20 y
30 segundos se precalienta antes de procesar,
caso que no ocurre a los 60 segundos, dado que
aún con la amplitud más baja, la temperatura se
eleva 20°C en este rango de tiempo (Grafico 2)
y aumenta de manera proporcional con forme la
amplitud se incrementa de manera proporcional
con forme la amplitud se incrementa.
Teniendo en cuenta que la temperatura
idónea para que se lleve a cabo la
transterificación es alrededor de los 64° C, por
lo tanto se determina que en 60 segundos y
100% de amplitud son las variables más
idóneas para procesar, por esta razón se
disminuyó la temperatura a la que las muestras
entraban al procesador, reduciendo así los
tiempos y haciendo más eficiente el proceso.
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Grafico 2 Medición de temperatura.
Aunque a 60 segundos no se obtuvo la
mayor cantidad de biodiesel, es la más óptima,
ya que como se observa de 10 a 40 segundos
tenemos la mayor producción de biodiesel y a
50 segundos decae, sin embargo, a 60 segundos
se incrementa nuevamente y como se había
mencionado con anterioridad, el hecho de
contar con una poca cantidad de glicerina
después de la reacción de transesterificación no
siempre nos refleja una buena reacción sino una
reacción inconclusa.
Por lo tanto, una mayor cantidad de
glicerina asegura que el triglicérido original se
transformo paulatinamente en diglicérido, y
monoglicérido, para formar el éster metílico de
ácido graso conocido como biodiesel. Es así
que se determina que 60 segundos, es el rango
óptimo para la trasformación de biodiesel de
acuerdo a los ensayos realizados en este trabajo.
Agradecimiento
Se agradece al COTACYT por el apoyo con el
equipo Procesador Ultrasonico, material clave
para la realización de esta investigación. De
igual manera se agradece las antenciones y las
facilidades prestadas en el Almacen y el
Laboratorio de Energía Renovable acargo de la
Ing. Elida Liliana Ríos Vázquez.
Conclusiones
En la presente investigación, se determinó en
base a experimentación el punto óptimo en el
proceso de obtención de un biocombustible en
el equipo Procesador Ultrasonico. Se demostró
que en el rango de 30 segundos, de 50 a 100%
de amplitud y un ciclo, se obtuvo el 99% del
volumen procesado, sin embargo, a 60
segundos con las mismas condiciones se obtuvo
el 95% del volumen procesado, teniendo la
ventaja de no precalentar la muestra antes de
procesarlo, determinándolo como el punto
óptimo puesto que al no precalentar, se gasta
menos electricidad y esto fomenta la
sustentabilidad del proceso además de estar
utilizando un residuo como materia prima del
biocombustible.
Se demuestra la necesidad de determinar
las variables óptimas para eficientar el proceso
de obtención de un biocombustible, en este caso
la transesterificación para la obtención de
biodiesel; el procesador ultrasónico es un
equipo que facilita la obtención de biodiesel a
partir del residuo. Se determinó, que a partir de
los ensayos realizados, que a 60 segundos,
100% de amplitud y un ciclo es el punto
optimo, ya que del volumen procesado no más
del 7% se trasformó en glicerina y lo restante en
biodiesel. Además se observó que durante el
proceso de transesterificación en el procesador
ultrasónico la temperatura se eleva, por lo cual
ya no es necesario calentar previamente la
mezcla aceite-metoxido antes de procesar,
reduciendo el tiempo de procesamiento y
aumentando la eficiencia del proceso de esta
manera, ya que se esta utilizando un residuo
perjudicial al medio ambiente.
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Es por ello, que el punto óptimo en el
proceso utilizando el procesador ultrasónico
minimiza el tiempo y gasto de consumibles
para el procesamiento del residuo y la
conversión del mismo, impulsando así de una
manera sustentable la obtención del
biocombustible.
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Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San
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Recibido Julio 18, 2016; Aceptado Septiembre 23, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
El artículo describe la metodología y los resultados
obtenidos a partir de pruebas experimentales de
producción de biogás a partir de las excretas del
ganado de un rancho ubicado en San Bartolo
Cuautlalpan, municipio de Zumpango. Se incluye la
puesta en marcha de los biodigestores, una
descripción de la instrumentación empleada en la
toma de los datos, los resultados obtenidos en las
pruebas experimentales realizadas con desechos
orgánicos de ganado bovino y porcino, en diferentes
relaciones de materia orgánica – agua, durante el
periodo comprendido entre marzo y agosto de 2016
y la estimación de la producción total de biogás y
metano que se puede obtener con los desechos de
los animales del rancho con su equivalente en kWh.
Materia orgánica, biodigestor, biogás y metano
Abstract
The article describes the methodology and results
obtained from experimental tests of biogas
production from livestock excreta from a ranch
located in San Bartolo Cuautlalpan, municipality of
Zumpango. the implementation of biodigesters, a
description of the instrumentation used in making
data, the results obtained in the experimental tests
with organic waste from cattle and pigs in different
ratios of organic matter is included - water for the
period between March and August 2016 and the
estimated total production of biogas and methane
that can be obtained with animal waste ranch with
its equivalent in KWH.
Organic matter, digester, biogas and methane
Citación: ESPINAL-ARELLANO, Juan, OLVERA-GARCÍA, Omar, HERNANDEZ-GÓMEZ, Víctor y MORILLÓN-
GÁLVEZ, David. Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San Bartolo Cuautlalpan.
Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 36-52
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
37
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biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San Bartolo Cuautlalpan.
Revista de Sistemas Experimentales 2016
Introducción
Los ranchos dedicados a la ganadería y a la
siembra, emplean los desechos orgánicos del
ganado como abono para sus tierras, esto lo
hacen depositando dicha materia orgánica
directamente sobre la tierra, lo que ocasiona
que el viento arrastre parte de esos desechos y
emita mal olor en las zonas cercanas. Al ser un
rancho ganadero, la producción de desechos
orgánicos es más alta de la que se puede
emplear como abono, por lo cual, la mayoría lo
almacena a cielo abierto hasta su utilización
generando también problemas de
contaminación al medio ambiente. Esta
problemática lleva a la necesidad de buscar
alternativas para su correcto manejo y también
para su aprovechamiento, los biodigestores son
dispositivos que pueden solventar esta
problemática, dado que además de recuperar el
biogás obtenido por la descomposición de la
materia orgánica, el residuo resultante sirve
como un excelente fertilizante. El biogás que se
produce está compuesto por una mezcla de
gases tales como metano, dióxido de carbono,
ácido sulfhídrico, hidrógeno y nitrógeno. Sin
embargo, el metano representa entre un 50 –
60% del biogás, mientras el dióxido de carbono
equivale a un 30 – 40%, de la mezcla. Según el
análisis sectorial de desechos sólidos en la Zona
Metropolitana del Valle de México,
aproximadamente el 53% de los desechos
generados pueden emplearse para la producción
de biogás en México y la SEDESOL reporta
25,000 ton/día que se depositan en tiraderos a
cielo abierto, barrancas o bien, en cualquier otro
sitio sin control (incluye sitios clandestinos).
En la comunidad de San Bartolo
Cuautlalpan, Zumpango, Estado de México, se
encuentra ubicado el rancho Los dos hermanos,
esta propiedad se dedica principalmente a la
siembra de maíz y obtiene ingresos adicionales
a través de la compra, cría y venta de ganado
bovino y porcino.
En el rancho Los dos hermanos también
se crían ganado ovino y cunícola, así como aves
para autoconsumo.
La demanda de energía eléctrica del
rancho es abastecido a través de la Comisión
Federal de Electricidad (CFE) y es utilizada
para realizar actividades como la preparación
de alimentos y el alumbrado, ya que las labores
de ganadería y agricultura se realizan de manera
manual y con ayuda de un tractor, de modo que
la demanda eléctrica del rancho es de
aproximadamente 80 kWh bimestrales.
Este proyecto consiste en analizar la
factibilidad de emplear los desechos orgánicos
del rancho, para generar la energía eléctrica
requerida para la preparación de alimentos e
iluminación del mismo, y abonar sus cultivos
con el abono generado por el biodigestor, lo
cual provocaría un ahorro en la facturación
energética y la reducción de la contaminación
ambiental del lugar. Para ello se le solicitó al
Laboratorio de Investigación en Energías
Renovables (LIER) de la Facultad de Estudios
Superiores Cuautitlán, que realizara el estudio
correspondiente, ya que cuenta con 12
biodigestores del tipo discontinuo, con
capacidad de 33 litros cada uno, para llevar a
cabo pruebas simultáneas con diferentes
sustratos.
Antecedentes
En la actualidad se han realizado estudios para
observar el comportamiento de la generación de
biogás bajo distintas características como:
Amarely Santana y B. Pound [1]
observaron que la variación en la alimentación
de dos novillos (hierba/melaza o caña de azúcar
picada) puede influenciar en la generación de
metano.
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biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San Bartolo Cuautlalpan.
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Encontraron que la dieta a base de
melaza/hierba produce mayor cantidad de
metano y sugieren que esto es debido a que se
tiene una mayor relación carbono - nitrógeno
que la dieta a base de caña de azúcar.
San Thy y et al [2] observaron la
producción de biogás, mediante la
descomposición de materia fecal de cerdo, con
tiempos de retención de 10,
20 o 30 días en biodigestores continuos de 510
litros. En el primer experimento, la cantidad de
materia fecal fue de 5.1 kg/día, mezclado con
46, 20 o 12 litros de agua con tiempos de
retención de 10, 20 o 30 días respectivamente.
En un segundo experimento las proporciones de
materia fecal y agua se mantuvieron constantes
para dar un contenido de sólidos totales de 60
g/litro. Obtuvieron una producción de 1.04,
1.20 y 1.12 m3 de biogás por un m
3 de efluente
y que el tiempo de retención óptimo está entre
10 y 20 días.
Chae y et al [3] observaron el
comportamiento de la generación de biogás al
variar la temperatura del estierco de cerdo en el
proceso de degradación. Tomaron valores de 25
°C, 30 °C y 35 °C con cuatro cargas de
alimentación al 5 %, 10 %, 20 % y 40 %.
Observaron una reducción en la concentración
de metano del 3% entre el de la temperatura de
35 °C y la de 30 °C y una diferencia del 17.4 %
entre la de 35 °C y el de 25 °C. Obtuvieron
valores de 327, 389 y 403 ml de CH4/g de
sustrato respectivamente.
Stephanie y et al [4] al estudiar siete
biodigestores de bajo costo en Costa Rica
empleando como sustrato al agua residual de
los animales, encontraron que se podía obtener
biogás con una concentración del 66% de
metano mejorando la calidad de las aguas
residuales para ganado.
Atem y et al [5] llenó 20 biodigestores
discontinuos de PET con capacidad de 4 litros
con residuos de tomate de la industria local y
fluido ruminal como inóculo. Después de
mantener la temperatura constante durante 118
días inició la medición del biogás generado
durante otros 34 días obteniendo 0.10 m3 de
biogás por kg con un 50% de metano.
Ivet Ferrer y et al [6] estudiaron la
producción de biogás en digestores domésticos
ubicados a gran altura, operando bajo
condiciones psicrofílicas. Utilizaron un
volumen útil de estiércol de vaca entre 2.4 m3 y
7.5 m3 en pruebas de 60 y 90 días. Obtuvieron
temperaturas entre 20°C y 25°C y una
producción de 0.35 m3 por kg, con una
concentración del 65% de CH4.
Sung-Mok y et al [7] encontraron que se
incrementaba la generación de biogás, a partir
de la fermentación de Laminaria japónica, al
emplear un cultivo mixto de Clostridium
butyricum y Erwinia tasmaniensis, llegando a
tener niveles de hidrógeno y metano de
327,47% y 354,99% respectivamente.
M.S. Ak y et al [8] realizaron un estudio
en el cual duplicaron la producción de biogás
que se genera por la degradación del lodo
activado producido durante el tratamiento
biológico de residuos líquidos y sólidos,
empleando al ozono (1.33 mg O3/g).
González y et al [9] realizaron un estudio
para determinar la capacidad de una planta de
generación de energía eléctrica empleando
metano generado por la degradación de
residuos de cerdo y una planta fotovoltaica.
Realizaron experimentos con tres biodigestores
continuos alimentándolos con 150, 200 y 250
ml de sustrato al día, durante 40, 30 y 24 días
respectivamente. Encontraron una producción
máxima de 22.53 m3 de biogás por un m
3 de
sustrato, con un contenido de metano del 75%.
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Iván Vera y et al [10] estimaron la
cantidad de biogás obtenible a partir de las
excretas de ganado bovino y porcino de la
región de Ciénega de Chapala, Michoacán.
Basándose en censos del INEGI y valores
promedio calcularon la cantidad total de
estiércol y de biogás obtenibles, así como la
energía eléctrica generable a partir de la misma.
Los resultados suponen un ahorro de energía
eléctrica del 4.3%, equivalente para 2013 a
$MX 18,300,000 tomando como base un costo
de $MX 2.236/kWh.
Iván Vera y et al [11] estimaron la
cantidad de biogás obtenible a partir de la
descomposición anaeróbica de residuos sólidos
urbanos que permita generar energía eléctrica
para la región de Ciénega de Chapala,
Michoacán.
Jesús R. González y Luis R. González
[12] realizaron pruebas de producción de biogás
con diversos sustratos, cuyos resultados resaltan
que los desechos orgánicos del conejo alcanzan
concentraciones de metano superiores al 70%,
en tanto que la poda de pasto y desechos de
comida la producción fue mínima.
Adicionalmente, los investigadores señalan que
los desechos de conejo lograron producir 0.708
litros de biogás por cada kilogramo de
excremento, en tanto que los desechos de vaca
alcanzaron una producción de 0.26 L/kg, con
porcentajes de metano similares a los
alcanzados por el biogás producido por los
desechos cunícolas.
Peyman Abdeshahian y et al [13]
determinaron que en el año 2012 el potencial de
generación de biogás a partir de estiércol,
sangre y contenido de rumen obtenidos de
granjas y mataderos de Malasia era de 4589.49
millones de metros cúbicos por año, con lo cual
se podría generar 8.27 X 109 kWh por año.
Basak K. Taseli y Birol Kilkis [14]
propusieron dos escenarios (uno de ellos con
tres niveles) para generar energía eléctrica y
reducir las desventajas ambientales de un
hospital universitario con 900 camas. Con la
intención de obtener suficiente biogás se
propuso emplear los desechos del hospital y
crear un establo para 6000 cabezas de ganado
lechero; lo cual permitiría que los alumnos del
departamento de agricultura cuenten con una
granja didáctica. El escenario base contempla
tres máquinas para trigeneración cuya
capacidad combinada sería de 5.65 MW.
E. Chan y et al [15] realizaron una
investigación cuyos resultados indican que el
biogás producido a partir del estiércol líquido
de cerdo en México tiene potencial para
producir 21 X 1015 Joules anualmente. Se
agregó pasto elefante (pennisetum purureum)
para mejorar el rendimiento de las excretas de
cerdo. Los investigadores sostienen que el
precio de la energía eléctrica generada in – situ
sería de $US 0.129/kWh.
W. Uddin y et al [16] estimaron que el
estiércol ganadero de Pakistán puede producir
35.625 millones de kWh diarios, con lo cual se
podría superar la crisis energética de dicho país,
en el cual la indisponibilidad de energía
eléctrica puede durar entre 14 y 20 horas al día.
El Consejo Pakistaní de Tecnologías
Renovables, PCRET por sus siglas en inglés
(Pakistan Council of Renewable Technologies),
ya ha instalado 4109 plantas de biogás a lo
largo del país, con lo cual se logran ahorros
mensuales promedio de 37.925 millones de
rupias pakistaníes en términos de queroseno,
madera, gas l.p. y biofertilizante.
M. Ríos y M. Kaltschmitt [17] sugieren
que México tiene un potencial considerable
para usar biogás de desechos orgánicos como
una fuente renovable para generar electricidad.
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Los resultados de su investigación
muestran un potencial teórico promedio de
167.9 TWh/año, un potencial técnico promedio
de 10.2 TWh/año y un potencial económico
promedio de 6.4 TWh/año.
Bundhoo y et al [18] realizaron una
investigación para determinar el potencial
energético de la República de Mauricio a partir
de la descomposición anaeróbica de biomasa y
distintos desechos disponibles en la ya
mencionada isla. Sus resultados indican que la
energía neta disponible alcanza los 4685
TJ/año, de los cuales 2174 TJ/año corresponden
a energía eléctrica y 2511 TJ/año a energía
térmica, representando 12.6% del consumo
energético final de la República de Mauricio.
Los residuos de la caña de azúcar (3790 TJ/año)
son la principal fuente de biogás a larga escala
disponibles en dicho país.
Piwowar y et al [19] llevaron a cabo una
investigación para mostrar el desarrollo actual
del mercado de biogás agrícola en Polonia, en
la cual indican que de 2011 a 2014, la
producción de biogás aumentó 127.39 millones
de metros cúbicos. Debido a la gran área de
suelo agrícola, la relativamente alta población
de ganado bovino y porcino y a la bien
desarrollada industria alimenticia de Polonia, su
mayor fuente de energía renovable es la
biomasa agrícola. Actualmente, la capacidad
total de las plantas de biogás en Polonia es
244,156,466 m3/año.
Silva dos Santos y et al [20] presentaron
un método para analizar la viabilidad
económica y energética de la generación de
energía mediante biogás producido en plantas
anaeróbicas de tratamiento de aguas residuales
y desechos sólidos municipales en Brasil.
Los resultados indicaron viabilidad
económica únicamente para ciudades cuya
población supere los 300,000 habitantes y que
el potencial energético pueda suministrar
alrededor del 0.25% de los residuos fósiles, de
acuerdo con el Ministerio Brasileño de Ciencia
y Tecnología. Este potencial energético
representa toda la energía que pueda ser
producida a partir de desechos en Brasil para
2020.
A. Ware y N. Power [21] evaluaron el
potencial de recuperación de energía de los
subproductos orgánicos de un matadero de
ganado bovino en Irlanda. Se analizó el
potencial de producción de metano de distintos
fluidos, así como el de la mezcla de ellos y se
determinó que es viable combinar los desechos,
ya que el rendimiento de metano no disminuye.
Adicionalmente, la mezcla de desechos tiene
potencial de recuperación de energía suficiente
para subsidiar al 100% la demanda energética
del matadero.
E. U. Khan y A. R. Martin [22] evaluaron
el estatus actual de la tecnología de
biodigestores en áreas rurales de Bangladesh, la
cual abarca 75% de la población. Debido a la
falta de conocimiento técnico, los altos costos
de instalación y operación, disponibilidad de
materia prima y las limitadas aplicaciones
finales, sólo se obtiene el 1% del potencial total
de biogás, estimado en 14.5 millones de
m3/año.
Análisis de antecedentes
La generación de electricidad a partir de biogás
es considerado alrededor del mundo como una
solución para satisfacer las necesidades
energéticas, así como para generar electricidad
limpia, ya que el uso del biogás como
combustible no da lugar a la liberación de
dióxido de carbono a la atmósfera.
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Los países con economías emergentes
poseen una gran cantidad de desechos
orgánicos procedentes de distintas fuentes, sin
embargo, no cuentan con la infraestructura
necesaria para explotar al máximo su potencial
energético, en gran medida debido a que los
proyectos de esta índole suelen ser planeados a
gran escala y a que los estudios realizados
contemplan regiones considerablemente
extensas o sumamente pobladas. No obstante,
se debe tomar en cuenta que en muchas
ocasiones los desechos orgánicos no se
encuentran distribuidos uniformemente a lo
largo y ancho de las áreas consideradas, lo cual
dificulta las labores de recolección y
tratamiento de los desechos y puede causar la
exclusión de cierta cantidad de materia prima.
Si bien los estudios realizados a gran escala
muestran resultados alentadores, los pequeños
proyectos para aprovechar el biogás y generar
electricidad con él no han sido contemplados
como una alternativa para el autoabasto
energético.
Procedimiento experimental
El proyecto contempló el empleo de los
biodigestores del LIER, por lo cual se les dio
mantenimiento para verificar el correcto
funcionamiento de los termopares, el de las
válvulas de extracción del biogás y el sellado de
los biodigestores.
Con el fin de determinar el rango
adecuado de dilución para las mezclas del
sustrato, se realizaron pruebas de masa seca y
masa volátil de los excrementos de vaca y
cerdo. Para ello se utilizó la metodología
descrita por Jesús González y Luis González
[12], la cual consiste en hornear las muestras de
excremento durante 48 horas a 105 °C para
hallar la masa seca, y posteriormente incinerar
tales muestras durante 6 horas a 550 °C para
obtener la masa volátil. En la figura 1 se ilustra
el proceso de obtención de masa seca y masa
volátil.
Figura 1 Materia orgánica antes y después del proceso.
La masa seca corresponde a la materia
libre de humedad que compone el excremento,
y se calcula empleando la ecuación (1):
Donde:
= masa seca, g.
= masa hidratada, g.
= masa deshidratada, g.
La masa volátil es el porcentaje de
materia orgánica presente en la biomasa, e
indica qué fracción de la misma ha de producir
biogás, de modo que un porcentaje alto es
deseable. La ecuación (2) permite calcular la
masa volátil.
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Donde:
= masa volátil, g.
= masa deshidratada, g.
= masa incinerada, g.
Tras determinar las concentraciones de
los sustratos, se vació el agua y materia
orgánica en cada biodigestor, revolviendo
ambas partes hasta incorporarse
homogéneamente. Tras culminar dicha fase se
sellaron correctamente los biodigestores y se
verificó la ausencia de fugas. En la figura 2 se
aprecia el sustrato formado por agua y
excremento de vaca dentro del biodigestor
durante el llenado del mismo.
Figura 2 Sustrato formado por agua y excremento de
vaca.
Durante las primeras 15 semanas de la
fase experimental, se midió diariamente la
presión de biogás generado y la temperatura del
sustrato, mientras que el porcentaje de metano
presente en el biogás y el pH del sustrato se
cuantificaron semanalmente. Las primeras
mediciones de porcentaje de metano en el
biogás se realizaron entre las semanas 3 y 4, a
partir de las cuales se tuvo suficiente biogás
para realizar la prueba correspondiente.
Tras las 15 primeras semanas del
experimento, la presión del biogás y la
temperatura dentro del biodigestor se midieron
cada tercer día, en tanto que los otros
parámetros se midieron normalmente.
La medición de la temperatura del
sustrato se realizó con ayuda de un termómetro
digital conectado a un termopar que forma parte
de la tapa del biodigestor y cuyo extremo está
en contacto con la mezcla de agua y materia
orgánica. Por su parte, la presión dentro de los
biodigestores se midió empleando un
manómetro conectado a la válvula superior de
los biodigestores. Debido a que los
biodigestores tienen una resistencia máxima a
presiones internas de 7 psi y no cuentan con
válvulas de alivio de presión, siempre que la
presión interna de un biodigestor sobrepasó los
6 psi se quemó cierta cantidad de biogás, de
modo que se eliminara el riesgo de una
explosión por exceso de presión. La figura 3
muestra la quema del biogás excedente.
Figura 3 Quema de biogás excedente.
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La medición del pH se realizó mediante la
utilización de tiras reactivas, las cuales cambian
de color tras sumergirse dentro del sustrato,
permitiendo así su cotejo con una carta
comparativa que indica el pH de la sustancia
analizada.
Para obtener una muestra del sustrato
dentro del biodigestor se abrió la válvula
inferior del biodigestor y se permitió la salida
de una cantidad mínima de la mezcla. Para
cuantificar el metano presente en el biogás se
empleó un analizador de gases Madur Ga-21
plus, cuya pantalla se presenta en la figura 4.
Durante la totalidad del experimento se verificó
regularmente la ausencia de fugas de biogás.
Figura 4 Pantalla del analizador de gases durante una
medición de componentes del biogás.
Para cuantificar el biogás producido
dentro de cada biodigestor se empleó el método
desarrollado por Jesús R. González y Luis R.
González [12], el cual consistente en relacionar
variables tales como la presión acumulada de
biogás dentro de cada biodigestor durante cierto
periodo, así como el porcentaje de metano
alcanzado en el mismo lapso, para así
determinar la masa de biogás contenida dentro
de cada biodigestor y posteriormente hallar los
litros de biogás producidos semanalmente.
Tras cuantificar la presión acumulativa
semanal y su respectivo porcentaje de metano,
el siguiente paso del desarrollo experimental,
consiste en determinar la masa molar del
biogás, la cual equivale a la suma de la masa
molar de cada compuesto que lo integra. Sin
embargo, debido a que los principales
componentes del biogás son metano y dióxido
de carbono, en los cálculos siguientes se
contemplará que la suma de la masa molar de
dichos compuestos equivale a la totalidad de la
masa molar del biogás, lo cual se expresa
mediante la ecuación (3):
Donde:
= masa molar del biogás, kg/mol
= masa molar del metano, kg/mol
= masa molar del dióxido de carbono,
kg/mol
Dado que la masa molar del metano y
dióxido de carbono son 0.01604 kg/mol y
0.04401 kg/mol, respectivamente, la masa
molar de tales compuestos para una
concentración particular está dada por las
ecuaciones (4) y (5):
Donde:
= peso molecular del metano,
kg/mol
= porcentaje de metano presente en la
muestra, %
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= peso molecular del dióxido de
carbono, kg/mol
= porcentaje de metano presente en la
muestra, %
Resultados y análisis
Con los resultados obtenidos se determinaron
tanto la masa seca como la masa volátil, y
considerando dichas variables se crearon dos
diluciones distintas para excrementos de vaca y
tres para desechos de cerdo. Los resultados de
las pruebas de masa seca y volátil se presentan
en la tabla 1 y los sustratos empleados durante
las pruebas experimentales se señalan en la
tabla 2.
Tipo de
desecho
Mas
a
hidr
atad
a [g]
Masa
deshidr
atada
[g]
Masa
incinera
da [g]
Masa
seca
[%]
Masa
volátil
[%]
Excrem
ento de
cerdo
144.
2
32.4 3.1 22.47 90.43
Excrem
ento de
vaca
283 42.8 12.5 15.12 70.79
Tabla 1 Resultados de las pruebas de masa seca y volátil.
Biodigestor
no.
Tipo de
desecho
Porcentaje
de materia
[%]
Porcentaje
de agua
[%]
1 Excremento
de cerdo
50 50
2 Excremento
de cerdo
66.67 33.33
3 Excremento
de cerdo
33.33 66.67
4 Excremento
de vaca
50 50
5 Excremento
de vaca
25 75
Tabla 2 Mezclas de los sustratos empleados durante las
pruebas experimentales.
La figura 5 muestra la gráfica
comparativa de las presiones acumuladas por
semana de las muestras más representativas de
biogás producido por vaca y cerdo.
Figura 5 Presiones acumuladas por semana.
Se puede apreciar que durante las
primeras cuatro semanas las excretas de cerdo
produjeron una cantidad mayor de biogás que
las excretas de vaca, sin embargo, estas últimas
Produjeron una cantidad mucho mayor
durante las semanas posteriores, e incluso
durante más tiempo. Cabe mencionar que las
excretas de cerdo sólo produjeron biogás
durante 10 semanas, alcanzando su mayor
producción en la tercera semana, mientras que
las excretas de vaca alcanzaron su mayor
producción de biogás en la semana 8 y al
momento de la captura de datos para el presente
artículo (semana 25) aún no finalizaba su
producción.
La posible causa de la gran diferencia en
la duración de la producción de biogás de
ambas muestras es la solubilidad de las
excretas, pues mientras los desechos ovinos
formaron una mezcla con escaza presencia de
partículas no disueltas, los desechos porcinos
continuaron presentando una elevada cantidad
de gránulos tras mezclarse con agua, los cuales
se sedimentaron al fondo del biodigestor. Esta
situación podría haber causado que una gran
parte de la materia no se degradara o lo hiciera
de manera sumamente lenta.
0
2
4
6
8
10
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
Pre
sió
n [
psi
]
Semana
Producción semanal de biogás
Bio. 3 (Cerdo)
Bio. 4 (Vaca)
45
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biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San Bartolo Cuautlalpan.
Revista de Sistemas Experimentales 2016
La figura 6 presenta el sustrato del
biodigestor 3 antes y después de vaciarlo tras
finalizar su producción de biogás, el cual
contenía una mezcla compuesta por 33.33% de
excremento de cerdo y 66.66% de agua.
Además de la espuma presente en la superficie
de la mezcla, se puede apreciar que ningún
gránulo es visible en la misma.
Figura 6 Sustrato del biodigestor 3.
En la figura 5 también se puede observar
que durante las semanas 9 y 10, la producción
de biogás en el biodigestor 4 disminuyó
drásticamente, sin embargo, en la semana 11
volvió a incrementarse, lo anterior podría ser
atribuible a las variaciones de temperatura que
tuvieron lugar durante dicho periodo y que se
muestran en la figura 7.
Figura 7 Efecto de la temperatura en la producción de
biogás.
Se observa que al principio de la semana
8 hubo una disminución en la temperatura
ambiental de alrededor de 3.5 °C en dos días,
mientras que la temperatura del sustrato
disminuyó 4 °C en el mismo periodo. Estos
cambios en la temperatura se pueden considerar
drásticos, si se toma en cuenta que
regularmente la temperatura cambia 1.8 °C en
lapsos de tiempo similares. Vale la pena
mencionar que en semanas como la 16, 18, 21 y
24 se aprecian un ligero aumento en la
producción de biogás con respecto a las
semanas inmediatas anteriores, dichos
fenómenos coinciden en tiempo con
incrementos en la temperatura ambiente e
interna del biodigestor.
El pH del sustrato se midió semanalmente
y cuyos resultados para los biodigestores 3 y 4
se ilustran en la figura 8.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
0 10 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30
1 32 60 91 121 152
Semana
Pre
sió
n [
psi
]
Tem
per
atu
ra a
mb
ien
te [
°C]
Día
Efecto de la temperatura en la producción de biogás
Temperatura ambiente
Temperatura bio. 4
Bio. 4
46
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Figura 8 pH de los sustratos.
El pH del sustrato de excretas de cerdo y
agua fue predominantemente neutro, aunque
con cierta tendencia a ser ácido, ya que en la
escala del pH un valor de 7 corresponde a una
sustancia neutra, valores mayores a 7 indican
pH alcalinos y menores de 7 revelan que la
sustancia analizada es ácida. Por su parte, el pH
del sustrato de excretas de vaca y agua es
predominantemente alcalino, ya que desde la
semana 9 y hasta la 25 se encontró con valores
mayores a 7, obteniendo en dos ocasiones un
pH de 10 y en tres ocasiones su pH fue 9.
De las 22 mediciones, sólo tres arrojaron
un pH de 7 y tan sólo dos veces, en las semanas
cinco y seis, el pH fue de 6. Estos resultados
sugieren que el pH no fue un factor decisivo en
la cantidad de biogás producido, pues en las
semanas 11 y 12 se tuvo el pH más alcalino,
pero la cantidad de biogás producido no fue el
mayor. En cuanto a la calidad del biogás, es
deseable que este cuente con el mayor
porcentaje de metano posible, pues tal
componente es el encargado de arder durante la
quema del biogás. La figura 9 muestra el
porcentaje de metano presente en el biogás de
los biodigestores 1, 3 y 4 medido
semanalmente.
Figura 9 Porcentaje de metano presente en el biogás.
Como se observa, las excretas de vaca
producen un porcentaje mayor de metano que
las excretas de cerdo, cuyo biogás apenas
alcanzó el 21.49% de contenido de metano en el
mejor de los casos. Cabe mencionar que en el
caso del biodigestor dos, el porcentaje de
metano mantuvo una tendencia a la alza durante
6 de las 7 semanas en las que se monitoreó
dicho parámetro, mientras que el biogás del
biodigestor tres presentó un porcentaje de
metano relativamente constante hasta la semana
9. En contraste, la muestra más representativa
del biogás producido por excretas de vaca
alcanzó su mayor porcentaje de carbono en la
semana 13, obteniendo 70.58% de metano. A
partir de ese momento el porcentaje de metano
se redujo gradualmente en aproximadamente
0.8% cada semana.
Para determinar la cantidad de biogás
generado, como un ejemplo del cálculo se
tomarán como base los datos recopilados para
el biodigestor 4 durante la semana 13, la cual
abarca del 20 al 27 de mayo de 2016, cuyo
porcentaje de metano es 70.58%, la presión
acumulada es 2.2 psi y la temperatura es 23.5
°C. Las masas molares del metano, dióxido de
carbono y biogás producido esa semana serán:
0 2 4 6 8
10 12
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
pH
Semana
pH del sustrato
Bio. 3 (Cerdo)
Bio. 4 (Vaca)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Po
rcen
taje
Semana
Porcentaje de metano en el biogás
Bio. 2 (Cerdo)
Bio. 3 (Cerdo)
Bio. 4 (Vaca)
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A continuación, la masa molar del biogás
se utiliza en la ecuación (6) para calcular la
constante particular del biogás de la semana 13,
sabiendo que la constante universal de los gases
es Ru = 8.314 Nm/mol ∙ K.
Donde:
= constante particular del biogás, Nm/kgK
= constante universal de los gases,
Nm/molK
Por lo tanto, la constante particular del
biogás es:
A continuación se determinó la densidad
del biogás contenido dentro del biodigestor con
ayuda de la ecuación (7) de los gases ideales:
Donde:
= presión absoluta del gas, Pa
= volumen del gas, m3
= masa del gas, kg
= constante particular del gas, Nm/kg ∙ K
= temperatura, K
Despejando de (7) se obtiene la ecuación
(8) para determinar la densidad del gas:
Antes de proceder a calcular la densidad
del biogás es necesario realizar las conversiones
de presión manométrica en psi a absoluta en Pa
y de temperatura en °C a °K.
Para calcular la masa del biogás basta con
emplear la ecuación (9), tomando en cuenta que
el volumen ocupado por el biogás es 23 L, ya
que el volumen total del biodigestor es de 33 L
y la mezcla ocupa 10 L.
Donde:
= densidad, kg/m3
El último paso para conocer la cantidad
de litros de biogás generados consiste en
emplear una variante de la ecuación (9), que
será denominada (10) y que contempla la
densidad del biogás a presión atmosférica como
1.25 kg/m3:
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Por lo tanto, en la semana 13 el sustrato
de excretas de vaca al 50% y agua al 50%
produjo:
El método de cuantificación de biogás de
Jesús R. González y Luis R. González se aplicó
para el resto de semanas y biodigestores, a
modo de obtener la producción de biogás de
cada semana. En la figura 10 se muestran los
litros de biogás producidos cada semana por los
biodigestores 1, 3 y 4.
Figura 10 Litros de biogás producido.
Se observa que el sustrato del biodigestor
1 nunca superó los 3.5 litros producidos de
biogás, en tanto que el sustrato correspondiente
al biodigestor 3 tuvo una producción máxima
de 5 litros por semana, aunque sólo ocurrió una
ocasión y posteriormente su producción
decreció drásticamente, en tanto que el sustrato
del biodigestor 4 alcanzó una producción
máxima de 11.3 litros por semana.
No fue posible cuantificar el biogás
producido durante las tres primeras semanas, ya
que las mediciones de porcentaje de biogás
comenzaron hasta la cuarta semana de
experimentación. En la figura 11 se presenta el
total de litros de biogás producidos por los
cinco sustratos evaluados.
Figura 11 Producción total de biogás.
Es necesario discernir entre litros de
biogás y litros de metano. El primer término
hace referencia a los litros obtenidos de la
mezcla de gases que conforman el biogás, en
tanto que el segundo concepto se refiere
únicamente a la parte aprovechable del biogás
en forma de energía. La figura 12 ilustra lo
antes comentado.
Figura 12 Litros de metano producido.
0
2
4
6
8
10
12
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Litr
os
Semana
Producción semanal de biogás
Bio. 1 (Cerdo)
Bio. 3 (Cerdo)
Bio. 4 (Vaca)
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5
Litr
os
Biodigestor
Producción total de biogás
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Litr
os
Semana
Producción semanal de metano
Bio. 1 (Cerdo)
Bio. 3 (Cerdo)
Bio. 4 (Vaca)
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Se observa que los sustratos de
excremento de cerdo y agua no produjeron una
cantidad considerable de metano, posiblemente
debido a los mismos factores que causaron las
bajas presiones acumuladas representadas en la
figura 7. En la tabla 3 se presenta la producción
total de metano para cada sustrato analizado, así
como el porcentaje máximo de metano
alcanzado y en la tabla 4 se presenta la densidad
del estiércol de vaca y cerdo empleados en la
mezcla de los sustratos.
Biodigestor
no.
Animal
producto
r de
excretas
% de
excretas
% de
agua
Metano
producido
[L]
%
máximo
de metano
1 Cerdo 50 50 2.1375 17.23
2 Cerdo 66.67 33.33 0.8165 21.49
3 Cerdo 33.33 66.67 1.1486 10.86
4 Vaca 50 50 43.8043 70.58
5 Vaca 25 75 36.6201 64.94
Tabla 3 Producción total de metano.
Animal
productor
de excretas
Masa de la
excreta
analizada
[kg]
Volumen de la
excreta
analizada [m3]
Densidad de la
excreta analizada
[kg/m3]
Cerdo 0.1442 0.000155 930.3226
Vaca 0.283 0.0002972 952.2207
Tabla 4 Densidad de las excretas.
Conociendo la densidad de las excretas y
el volumen empleado en la preparación de cada
sustrato es posible determinar la masa de
excremento presente en cada sustrato, y
posteriormente el rendimiento de litros de
metano por kilogramo de excreta. Los
resultados obtenidos se presentan en la tabla 5.
Biodigestor
no. % de
excretas
Volume
n de
excreta
s [L]
Masa
de
excreta
s [kg]
Metano
produci
do [L]
Metano por
kg de
excreta [L]
1 50 5 4.6516 2.1375 0.4595
2 66.67 6.66 6.2025 0.8165 0.1316
3 33.33 3.33 3.1008 1.1486 0.3704
4 50 5 4.7611 43.8043 9.2005
5 25 2.5 2.3806 36.6201 15.3830
Tabla 5 Rendimiento de litros de biogás por kg de
excreta.
Se observa que los sustratos a base de
excremento ovino (biodigestores 4 y 5) tienen
rendimientos ampliamente superiores a los
sustratos a base de excreta porcina, las cuales
no lograron superar los 0.5 L de metano/kg. En
este rubro el sustrato más viable es el preparado
con 25% de excretas de vaca y 75% de agua, el
cual alcanzó los 15.3 L de metano/kg.
Según el Ministerio de Energía de Chile y
et al [23], el poder calorífico del metano es de
10 kWh/m3, o bien:
Donde:
= poder calorífico del metano, kWh/m3,
Wh/L.
Para plantas de generación de energía
eléctrica pequeñas, con capacidades de
generación menores a 150 kW, Wellinger y et
al [24] proponen el uso de sistemas de
generación que empleen motores Stirling, cuya
eficiencia eléctrica se encuentra entre 30 y
40%, por lo cual se asumirá una eficiencia
media del 35%.
Conociendo el valor calorífico del metano
(10 Wh/L), estimando la cantidad de
excrementos producidos diariamente y tomando
en cuenta la recomendación de Wellinger y et
al, es posible determinar la línea base de
energía eléctrica generable en el rancho Los
Dos hermanos a partir de los rendimientos de
litros de metano/kg de excremento previamente
estimados. Los resultados se presentan en la
tabla 6.
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Según la tabla 6, los sustratos a base de
excretas de vaca y agua son los únicos que
podrían satisfacer por completo la demanda
eléctrica del rancho Los dos hermanos, la cual
se estima en aproximadamente 80 kWh
bimestrales.
Biodigestor
no. Masa de
excretas
[kg/día]
L / día de
metano
producidos
kWh / día
generables kWh /
bimestre
generables
1 9.4 4.3195 0.0151 0.9071
2 9.4 1.2374 0.0043 0.2599
3 9.4 3.4820 0.0122 0.7312
4 160 1472.07 5.1523 309.1351
5 160 2461.28 8.6145 516.8698
Tabla 6 Línea base de energía eléctrica generable en el
rancho Los dos hermanos.
Conclusiones
Con base en los resultados experimentales de
las pruebas de biogás realizadas a 3 mezclas de
excretas de cerdo / agua y 2 mezclas de excretas
de vaca / agua, se concluye que estas últimas
son más apropiadas para implementar un
sistema de generación de energía eléctrica para
autoabastecimiento, ya que en ambos casos la
cantidad de metano producido permiten
satisfacer la demanda eléctrica del rancho Los
dos hermanos.
Agradecimientos
Agradecemos a la UNIVERSIDAD
NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO por
el apoyo recibido durante la realización de este
proyecto a través del programa UNAM-
DGAPA-PAPIME-PE102015.
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53
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 53-57
Caracterización de un susceptor de cobre sensible a radiación solar IR y UV
ZÁRATE-CORONA, José*†, TELOXA-REYES, Julio y AGUILAR-GALVÁN, Daniel.
Recibido Julio 15, 2016; Aceptado Septiembre 20, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
El uso de energías renovables se ha convertido en la
mejor alternativa para disminuir los graves efectos del
calentamiento global. En el presente artículo se muestra
la caracterización de un susceptor de cobre sensible a
radiación solar IR y UV el cual fue instalado en el foco
de una antena parabólica alcanzando temperaturas
alrededor de 300 °C, el susceptor está elaborado a partir
de termopares tipo “K” como transductores de energía
calorifica a energía eléctrica colocados en una placa de
cobre, en la cual se depositó una película de óxido
sensible a radiación solar IR y UV, se muestran los
espectros de absorción del recubrimiento del cobre
tomando como referencia los espectros de absorción del
aire, obtenidos con un equipo BRUKER®. El arreglo de
termopares consta de 800 elementos conectados en serie
y paralelo, el dispositivo final será colocado en una
configuración que permita minimizar las perturbaciones
atmosféricas aprovechando los altos valores de radiación
solar que se tienen en el Campus UPTlax, se ha evaluado
la efectividad de la tecnología dando como resultado una
propuesta viable que permitirá ser una alternativa a las
celdas fotovoltaicas de silicio convencionales
Energías Renovables, Energía Solar, Susceptor,
Termopar, Radiación Solar
Abstract
Renewable energies use has become the best alternative
to reduce the damage effects due to global warming. In
this work it is presented the characterization for a copper
susceptor being sensible to IR and UV sun radiation, the
susceptor was installed in the focus of a parabolic
antenna reaching temperatures around 300°C. The
susceptor is elaborated from type “K” thermocouples as
transducers from heat energy to electric energy,
thermocouples were mounted on a copper bar which
received a chemical treatment in order to obtain an oxide
film sensible to IR and UV sun radiation it is shown the
absorption specters of the film taking as a reference the
air absorption spectres measured with a BRUKER®
equipment. Thermocouple array consist of 800 elements
connected on parallel and series, final setup will be
disposed in a configuration able to reduce atmospheric
perturbations and absorb the high sun radiation values
available at UPTlax Campus, it has been evaluated the
effectiveness of the presented technology as a viable
proposal that could be an alternative to the conventional
silice photovoltaic cells.
Renewable energies, Solar Energy, Susceptor,
Thermocouple, Sun Radiation
Citación: ZÁRATE-CORONA, José, TELOXA-REYES, Julio y AGUILAR-GALVÁN, Daniel. Caracterización de un
susceptor de cobre sensible a radiación solar IR y UV. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 53-57
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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GALVÁN, Daniel. Caracterización de un susceptor de cobre sensible a
radiación solar IR y UV. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Introducción
La forma tradicional para dar el color negro a
los susceptores de radiación solar, es mediante
la colocación de pinturas epoxicas, las cuales
son capas relativamente gruesas disminuyendo
la eficiencia de captación de la radiación solar,
además que no soportan altas temperaturas, en
esté caso, el suceptor se colocara en el foco de
una antena parabólica [1], que da temperaturas
alrededor de 300 °C. La coloración del suceptor
propuesto en este trabajo es a través de un
depósito químico creando una película delgada
de óxido de cobre negro mate. La coloración de
los metales se genera en la superficie del metal,
convenientemente crecida para producirse un
depósito adherente al metal de sustancias
coloreadas dispuestas en una capa muy delgada
de manera que produzca la impresión de una
coloración uniforme que no influya en el
carácter metálico, por lo que se crecerá una
película superficial de óxido de cobre
químicamente sensible a radiación IR y UV. La
fabricación de este tipo de transductores de
energía calorífica a energía eléctrica es
importante a causa de la técnica de fabricación
la cual no es comparable económicamente y
tecnologicamente a la técnica de fabricación de
celdas solares de silicio.
Como se empleó un revestimiento
delgado, resulta que las variaciones menores en
la constitución química y física de la superficie
metálica como pequeñas impurezas ligadas en
la fabricación de las aleaciones, ejercen mucha
influencia sobre los aspectos de la coloración
metalica. De aquí resulta que las prescripciones
de la coloración de metales se encuentran en el
estado del arte.
En la sección 2 se presentan la
descripción del método, la reaciòn optima con
la cual se obtiene el mejor resultado según los
espectros de absorción mostrados, en la sección
3 se muestra una tabla con los resultados
experimentales más relevantes, en la sección 4,
se presenta una breve discusión y algunas
fotografias del prototipo del suceptor,
finalmente en la sección 5 se muestra una
conclusión general del trabajo presentado
Texto redactado en Times New Roman No.12,
espacio sencillo.
Descripción del método
Coloración negra mate del cobre. Existen
varias formas y métodos de colorear el cobre
[2],[3],[4], en este articulo se muestra el método
mas simple y económico el cuál es calentando
una solución de sosa cáustica hasta el punto de
ebullición, a la cual se le agrega persulfato
potásico por medio de la solución hirviente y en
continuo movimiento de vaivén intenso, en la
superficie se forma una película negra mate que
permite incluso reducir y teñir las
imperfeciones del cobre en la figura 1 se
muestran algunos resultados.
Figura 1 Muestras de las películas de óxido de cobre en
los substratos de cobre.
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GALVÁN, Daniel. Caracterización de un susceptor de cobre sensible a
radiación solar IR y UV. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Caracterización. Se realizó una
caracterización de las muestras a través de los
espectros de absorción con espectrómetro
marca Bruker®.
En la figura 2(a) y 2(b), se muestran
espectros de absorbancia IR para diferentes
valores de espesor del oxido depositado.
En la figura 3, se presenta el espectro de
absorción del aire
(a)
(b)
Figura 2 Espectros de absorbancia IR de las muestras.
Figura 3 Espectro de absorción del aire.
En la figura 4 se muestra el espectro de
absorción con los picos más altos que se
obtuvieron, estós son correspondientes a la
longitud de onda alrededor de 597 NM.
Figura 4 Espectro de absorción con los picos más altos.
En la figura 5 se muestra un espectro con una
comparación de las placas con mayor absorción, la
de máxima absorción en 605 NM de longitud de
onda es la curva superior.
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radiación solar IR y UV. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Figura 5 Muestras con la máxima absorción.
Resultados
En la tabla 1 se muestran los valores de la
obsorción para cada muestra, en está aparecen
remarcados los valores más relevantes.
Tabla 1 Valores más relevantes de las muestras
En la figura 6 se muestra el incremento en
el nivel de absorción entre una película
tradicional y una tratada químicamente para
radiación solar IR y UV (IR y UV curva
superior y con oxido sensible a IR curva de
abajo)
Figura 6 Comparación entre peliculas.
Se realizó una medición experimental
colocando el susceptor en el foco de la antena
parabólica como se muestra en la figura 7.
Figura 7 Antena parabolica.
Conclusiones
Aplicando la técnica de oxidación–reducciòn se
logró obtener una película de color negro mate
con caracteìsticas de absorbancia en IR y UV,
adherencia y durabilidad mucho mejores que la
película de pintura epoxica convencional.
La eficiencia térmica se aumento en 18% y la
temperatura se elevo 21 ºC
Nº
De
muestra
Absorbancia
media
Nº
De muestra
Absorbancia
media
121 1.2 342 1.31
124 1.2 363 1.37
142 1.19 412 1.52
163 1.39 421 1.61
212 1.33 424 1.58
221 1.35 442 1.43
224 3 463 1.12
242 1.38 512 2.4
263 1.1 524 1.83
312 1.31 542 1.45
321 1.33 563 1.54
324 124 564 1.53
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GALVÁN, Daniel. Caracterización de un susceptor de cobre sensible a
radiación solar IR y UV. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Con el arreglo experimetal fue posible
captar un valor de voltaje de 50mV a una
temperatura de 230°C con un número de 10
termopares, se planea incrementar el número de
termopares con el fin de utilizar la energía
eléctrica para recargar baterías.
Agradecimientos
Al laboratorio de Ing Química y al Laboratorio
de Automatización y Computo Inteligente de la
de la Universidad Politecnica de Tlaxcala
Referencias
[1]Teloxa Reyes, J & Mendieta Polvo, M. &
Zarate Corona, J. & Aguilar Galván, D. (2016)
“Caracterización de Concentrador Solar”,
Congreso Internacional de Investigación
Academia Journals, Tlaxcala, México, Marzo
de 2016.
[2] Introdución a la Térmodinamica en
Ingenieria Química Ed. Mc Grall Hill México
1998 Paginas 133-140,730
[3] Enciclopedia Tecnológica de química tomo
15 Nueva Yotk EE.UU., 1997, pagina 676, 677.
[4] Manual del Ingeniero Químico tomo I,
Mèxico, 1999, pagina 3-306
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Semi-automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca
MORALES-IBARRA, Vanessa*†, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-HERRERA, María
Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín.
Recibido Julio 5, 2016; Aceptado Septiembre 2, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
En la actualidad existen diversos métodos para el manejo
y la obtención de diversas energías renovables,
conociendo todas las ventajas de su utilización. En el
presente trabajo se muestra la metodología para llevar a
cabo un biodigestor semi-automatizado, ya que este
contara con un termómetro analógico y presostato, los
cuales ayudaran a monitorear la temperatura a la que se
encuentran las mezclas estudiadas que en este caso serán
de cerdo y vaca, además cuenta con un presostato para
mayor seguridad del usuario, ambas variables podrán ser
leídas con una tarjeta arduino uno y mostradas en un
pequeño display de bajo consumo de energía, se observa
respuestas favorables de generación del biogás mostrando
buena presión y buenas características de flama, haciendo
favorable su uso principalmente en lugares donde es
complicado el traslado de gas LP o gas natural,
aprovechando los residuos para la creación de composta.
Energías renovables, Termómetro analógico,
presostato, arduino, display
Abstract
Currently there are several methods for handling and
obtaining various renewable energies, knowing all the
advantages of their use. In this paper the methodology is
shown to perform the job of a biodigester semi -
automated, this will feature an analog thermometer,
which will help to monitor the temperature at which are
the mixtures studied in this case will be pork and cow. In
this paper the methodology is shown to perform the job
of a biodigester semi - automated, this will feature an
analog thermometer and switch pressure which will help
to monitor the temperature and the pression at which are
the mixtures studied, in this case will be pork and cow,
also has a pressure switch for added user safety, both
variables can be read with a arduino card one and
displayed on a small display of low power consumption,
are observed favorable responses from generation
biogas, showing good pressure and good flame as main
feature, making suitable use, mainly the gas in places
where the transfer of LP gas or natural gas is
complicated, using waste to create compost.
Renewable energies, analog thermometer, pressure
switch, arduino, display
Citación: MORALES-IBARRA, Vanessa, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-HERRERA, María Guadalupe y
MADRID-GONZÁLEZ, Valentín. Semi-automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca. Revista de Sistemas
Experimentales 2016, 3-8: 58-64
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
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HERRERA, María Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín. Semi-
automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca. Revista de Sistemas Experimentales
2016
El presente trabajo muestra el desarrollo y
puesta en marcha de un biodigestor Semi-
Automatizado. Desde hace ya un par de
décadas el hombre se ha dado cuenta del daño
que generan algunas fuentes de energía, además
de que muchas de ellas son agotables y de
difícil, cara o complicada extracción. El
biodigestor descrito muestra una solución
asequible a la obtención de gas natural,
destacando algunas ventajas sobre otros
biodigestores caseros como lo son el monitoreo
de temperatura en el reactor donde se lleva a
cabo la descomposición anaeróbica en donde
dicha descomposición puede ser controlada por
el usuario, el biodigestor cuenta con un
presostato en el tanque de recepción del gas
ayudando esto a mantener la seguridad del
ambiente y el usuario.
Este tipo de soluciones sustentables en la
generación de energía favorece en gran medida
al reciclaje y disminución de residuos;
reduccion en la producción de gases de efecto
invernadero, la producción del gas puede ser
utilizada en diferentes áreas como lo son el
alumbrado, cocción de alimentos, generación de
energía eléctrica etc.
Dentro de la descripción del método se
muestran algunos conceptos básicos para la
creación del biodigestor (antecedentes), tipos
de biodigestores, tarjeta y sensores utilizados
para el monitoreo de variables físicas
(temperatura y presión), observaciónes del
trabajo realizado, resultados y conclusiones.
Antecedentes.
Un biodigestor es un sistema natural y
ecológico que aprovecha la digestión anaeróbica (en ausencia de oxigeno) de las
bacterias para trasformar el estiércol en biogás
y sus residuos en fertilizante.
El biogás puede ser empleado como
combustible en las cocinas, o iluminación, y en
grandes instalaciones se puede utilizar para
alimentar al llamado biol, inicialmente se ha
considerado un producto secundario, pero
actualmente se está considerando de la misma
importancia, o mayor, que el biogás ya que
provee un fertilizante natural que mejora
fuertemente el rendimiento de las cosechas.
El gas metano es un hidrocarburo alcano
sencillo, el contiene únicamente átomos de
carbono e hidrogeno unidos por un enlace
covalente. Es incoloro y no es soluble en agua.
En la naturaleza se produce como producto
final de la putrefacción anaeróbica de las
plantas, conocido también como biogás.
Es biogás es un gas que se genera en
medios naturales o en dispositivos específicos,
por las reacciones de biodegradación de la
materia orgánica, mediante la acción de
microorganismos y otros factores, en ausencia
de oxigeno (ambiente anaeróbico). El producto
resultante está formado por metano CH4 (50 a
70%), dióxido de carbono CO2 (30 a 45%),
monóxido de carbono y otros gases en menor
proporción. El biogás y abono generado de los
residuos de operación del biodigestor ha sido
utilizado en países con poblaciones rurales
numerosas debido a que es económico y fácil
de instalar.
Tipos de Biodigestores.
En la figura 1. Se muestra un esquema con los
diferentes tipos de biodigestores, estos están
clasificados en función de su frecuencia de
cargado, osea la frecuencia con la que se
introduce la materia a descomponer, se
mencionan enseguida algunas ventajas y
desventajas de cada uno de ellos.
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Figura 1 Tipos de biodigestores.
Discontinuo: Se carga una sola vez y se
retira cuando ya se ha dejado de producir gas,
solo entonces se renueva de materia orgánica.
Se usa cuando la disponibilidad de materia
orgánica es limitada o intermitente.
*Tipo Batch o intermitente Figura 2, esta
clase de biodigestor, se carga(o se llena) una
vez, y se descarga el contenido digerido, una
vez que finaliza el proceso de fermentado, osea,
cuando deja de producir gas. Tiene un solo
orificio para la carga y descarga. La duración de
la fermentación varìa entre 2 a 4 meses,
dependiendo del clima ya sea este cálido,
templado, frio, etc; ya que la temperatura afecta
directamente la velocidad de reacción dentro
del reactor.
Semicontinuo: Se cargan en lapsos cortos
como de 12 horas, 1 vez al dìa, o cada dos días,
se utiliza cuando la disponibilidad de materia
organica es constante. Los principales, son el
Hindu, el Chino, y el Taiwanés, como ventaja
principales si se quiere aprovechar màs el gas, o
el biol, generado de los residuos es una buena
opción.
Figura 2 Biodigestor tipo Batch o intermitente.
*Tipo chino, Figura 3 un modelo bastante
utilizado debido a su durabilidad, fácil manejo,
funcionabilidad y seguridad. Se trata de una
cámara cerrada con sus respectivas cámaras de
carga y descarga. La estructura puede ser
construida de concreto armado, ladrillos,
piedra u hormigón y las paredes internas
permeabilizadas con diferentes materiales, se
estima su vida útil mayor a 15 años con un buen
mantenimiento.
Figura 3 Tipo chino.
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automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca. Revista de Sistemas Experimentales
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*Tipo Hindú, figura 4. Este diseño
consiste en una estructura vertical que dispone
de un reactor, cuya estructura sea de ladrillo
tanto paredes como fondo, aunque a veces se
usa refuerzo en hormigón, una campana o
cúpula flotante de metal o material resistente a
la corrosión, dos zonas definidas conectadas al
reactor: una para la carga de materia orgánica y
otra para la descarga de biol, una cámara
hermética en la cual se genera condiciones de
degradación anaeróbicas y la salida.
Figura 4 Digestor tipo Hindú.
*Tipo salchicha, Figura 5 En este
digestor, el gas se va acumulando en la parte
superior de la bolsa-reactor, parcialmente llena
con materia orgánica en fermentación, la bolsa
se va inflando lentamente con una sistema
presión baja.
Este biodigestor presenta los siguientes
componentes:
-Tubo de entrada: es un tubo de plástico
de 20 a 30cm de diámetro, que se utiliza para
la inserción de materia orgánica y se dirige
hacia adentro del reactor 15 cm de
profundidad.
-Reactor principal componente del
biodigestor, su tamaña varía dependiendo de la
cantidad de material a fermentar, sin embargo
este no puede ser muy grande, debe estar
aislado y contener un de calentamiento y
agitación. Para calentarse se recubre por encima
de 60 cm con una estructra simple de plàstico a
modo de invernadero, la construcción de una
pared de tierra a los costados para evitar el
enfriamiento del biodigestor. El gas producido
por el digestor puede almacenarse en un espacio
añadido al digestor o conducirse
independientemente a otra instalacion de
almacenamiento, cerca de la cocina, calefactor
a usarse.
-Tubo del afluente: fabricado de material
plástico, localizado entre 10 a 15 cm, por
debajo del tubo de entrada y en el lado opuesto
del digestor, generando una pendiente que
proporcione el gradiente necesario para que el
gas fluya naturalmente y con facilidad a la hora
de descargar y evitar fugas.
-Tubo de metano: ubicado en la parte
superior de la bolsa de almacenamiento de
metano, de 5 cm de diámetro, se utiliza para
transportar el biogás a su lugar de uso. Es
importante que se conecte a un filtro absorbente
de sulfuro de hidrógeno, que puede ser de
virutas de hierro y u tros materiales.
-Dispositivo de seguridad: se utiliza para
prevenir la ruptura del fermentador ocasionada
por las presiones altas del gas generado de la
fermentación anaeróbica. Consiste en una
botella plásticade de al menos 10 cm de
profundidad insertada la tubo de salida, cuando
la presión del digestor es mayor a la del agua
(osea, la presion mayor a 10cm de agua), se
liberará el gas.
-Tubo de limpieza: el lodo sedimentado
en el fondo del biodigestor debe ser removido
cada dos años, esta la tubería sirve para
evacuar estos lodos por bombeo.
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Figura 5 Digestor tipo Salchicha.
Tarjeta y sensores utilizados.
*Arduino, figura 6. Es una herramienta y
plataforma electrónica de código abierto,
flexible y sencillo de utilizar. Con ella es
posible crear objetos o entornos interactivos.
Esta plataforma puede detectar o afectar el
entorno recibiendo entradas de diversos
sensores y activando algunos actuadores
respectivamente.
La tarjeta Arduino posee un
microcontrolador el cual se programa mediante
el lenguaje de programación Arduino y el
entorno de desarrollo Arduino. Los ficheros de
diseño de referencia pueden ser adaptables a las
necesidades del usuario puesto que se
encuentran disponibles bajo una licencia
abierta.
Otros microcontroladores ofrecen
características similares al Arduino, pero éste
lleva ventaja en cuanto a asequibilidad,
multiplataforma trabajando con Windows, Mac
y Linux; entorno de programación simple;
software y sobre todo hardware ampliable.
Figura 6 Tarjeta arduino.
Sensor LM35, Figura 7 es un sensor de
temperatura con una precisión calibrada de
1 ºC. Su rango de medición abarca desde -55 °C
hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado
Celsius equivale a 10 mV (150 ºC = 1500 mV).
Está calibrado directamente en grados Celsius.
La tensión de salida es proporcional a la
temperatura y tiene una precisión garantizada
de 0.5 °C a 25 °C, baja corriente de
alimentación (60 μA) y bajo coste, no requiere
de circuitos adicionales para calibrarlo
externamente. Este integrado es de fácil
instalacion en un circuito de control. Se
encuentra en diferentes tipos de encapsulado.,
el más común es el TO-92.
Figura 7 Sensor de temperatura LM35.
Presostato, Figura 8. El presostato
utilizado para el trabajo es el ZSE40A, el cual
muestra una salida en kilo pascales, en su
propio display, cuenta con tres terminales, una
de alimentación de 12 VDC a 24 VDC, la otra
para conexión a tierra y una ultima que
funciona como salida analógica, siendo esta
ultima la que esta sensando la tarjeta arduino,
esta salida esta estandarizada de 4 a 20mA, el
sensor cuenta con diferentes funciones de salida
la tipo histéresis en donde en base a un valor de
referencia programado por el usuario encenderá
el presostato y tipo ventana en donde el usuario
podrá programar el sensor con una presión
minima (P1) y una presión máxima(P2) a su
conveniencia, la programación utilizada fue la
tipo histéresis.
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Figura 8 Medidor de presión digital.
Resultados
La técnica utilizada para este biodigestor fue la
de tipo batch, en la figura 9 se muestra el
prototipo utilizado,se realizaron pruebas con
estiércol de vaca y estiércol de cerdo,
realizando observando que al utilizar el
estiércol de vaca se obtuvo una presión de
alrededor de 25 kp en un periodo de espera de
48 horas y al cargar el digestor con el estiércol
de cerdo el presostato obtuvo una presión
alrededor de los 20kp en un perido de 2 dias, la
descomposición anaeróbica se mantuvo a una
temperatura ambiente de alrededor de los 30 °
por lo cual la descomposición y generación de
gas se llevo a cabo de una manera rápida, el
prototipo del deposito de gas es de tipo
campana flotante, en donde con dos
depósitos(porrones) uno dentro del otro, se
formara el deposito campana con sello de agua,
esta sencilla instalación ayuda a estudiar los
parámetros de digestión en caso de no contar un
medidor de presionmontado en el reservorio del
gas.
Figura 9 Protipo de Biodigestor tipo Batch.
Al sistema discontinuo, tipo batch
utilizado se le agrego un sensor de temperatura
en el reactor para ayudar al usuario a conocer la
temperatura y si así lo desea controlar dicha
temperatura para ayudar a la descomposición
anaeróbica que se genera, se incluyo en el
contenedor utilizado para la retención del gas
un presostato el cual beneficia al monitoreo de
presión generada, garantizando la obtención del
gas y la seguridad del lugar donde se coloque el
digestor. En la figura 10 se muestra el
programa utilizado en la tarjeta arduino.
Figura 10 Programa en arduino.
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Las salidas de los sensores utilizados
muestran sus resultados en un display de bajo
consumo el cual es conectado a la tarjeta
arduino, y su fuente de alimentación es una
conexion a una pila de 9VCD para la arduino,
el display y el sensor de temperatura y la
conexión al sensor de presión es con dos pilas
de 9 VCD en conexión en serie.
Agradecimientos
Se agradace a la Universidad Tecnologica de
Torreon por el apoyo brindado para el
desarrollo de este trabajo y al cuerpo académico
de innovación, integración y desarrollo de
tecnologías.
Conclusiones.
Todas los cambios de carga del digestor se
realizaron en un lapso de dos días, Obteniendo
buenos resultados en la generación del biogás,
después de las primeras veces de quema de gas,
se dio a conocer que el gas se mantiene por
encima del aire, muestra buenas características
de flama. Con el estiércol de cerdo se produce
menos gas que con el estiércol de vaca, con el
de cerdo el gas que se obtiene tiene un olor más
fuerte y despreciable, con el gas obtenido con el
estiércol de vaca se obtiene en promedio 3 cm
más de gas en dos días que con el de cerdo y el
olor es menos despreciable, con respecto al de
cerdo.
Al ser vaciado y limpiado el biodigestor
para una nueva carga, se mostró que la
descomposición del cerdo es de mayor
aceleración en comparación con la de la vaca,
cuando se vacío la carga del cerdo no tenía casi
nada de carga de materia orgánica, pero mostro
una mayor cantidad de fertilizante al ser
vaciado.
La de vaca al ser limpiado el biodigestor,
mostro que un tenia materia orgánica que podía
seguir descomponiéndose dentro de él,
mostrando una carga de fertilizante de 45% de
la carga original del bote aproximadamente.
Referencias
Martina P., Yank L. & Corace J. & Bucki
Wasserman B. & Aeberhard R. & Ventín A.
(2005). Estudio de la producción de biogás en
función de la cantidad de residuos de madera
en un biodigestor del tipo carga única o batch.
Avances en energías renovables y medio
ambiente. Vol (9).pp 06.23 a 06.27.
Soria Fregoso M. & Ferrera-Cerrato, R.
(2001). Produccion de biofertilizantes mediante
biodigestion de excreta liquida de cerdo. Terra
.Vol (19). pp 353 a 362.
Bernardo campos cuni (2011). Metodologia
para determinar los parámetros de diseño y
construcción de biodigestores para el sector
cooperativo y campesino. Scielo on line Vol.
20.
Brian W. Evans. 2008 Arduino Programming
Handbook: A Beginner's Reference, Editorial,
USA, 2 edición.
Jaime Marti Herrero. (2008).
BIODIGESTORES FAMILIARES, Guia de
diseño y Manual de instalación.. Bolivia,
Editorial Cooperación Técnica Alemana GTZ.
65
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 65-77
Efectos de la temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico
MESSINA-LÓPEZ, Víctor*†, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César.
Recibido Julio 26, 2016; Aceptado Septiembre 2, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
Diversos factores son los que pueden afectar la eficiencia
de un panel fotovoltaico, entre ellos, la temperatura. Este
trabajo se centra en concentrar 30 lecturas de
temperatura usando sensores LM35, provenientes de un
solo módulo de los 24 en que consiste el SFV instalado
en la Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas, con
una potencia eléctrica de 6 kWp. Estos 30 sensores darán
una temperatura individual y otra promedio con un
muestreo por minuto hasta llegar a 10 muestras que
arrojaran el promedio individual de la celda y del panel
en su totalidad. Otros 12 sensores de temperatura estarán
dispuestos en puntos estratégicos, los cuales nos darán
una temperatura promedio individual, la cual, será
comparada y analizada por medio de tarjetas de
adquisición de datos (DAQ), con interfaz a Labview®
para su visualización. Los fabricantes indican y la
literatura nos dice que la eficiencia de una célula
fotovoltaica vs el panel en su totalidad, difiere de un 1 a
3% respectivamente. Por tal motivo, los resultados
obtenidos en este trabajo nos darán la pauta para poder
inquirir en dicha información para la toma de decisiones
en lo que a orientación óptima se refiere a la hora de
implementar estos sistemas.
Temperatura, eficiencia, fotovoltaico, sensor
Abstract
Several factors are those that can affect the efficiency of
a photovoltaic panel, including temperature. This paper
focuses on concentrating 30 readings using LM35
temperature sensors from a single module 24 that is the
SFV installed at the Technological University of Bahía
de Banderas, with an electrical output of 6 kWp. These
30 sensors give an individual temperature and other
average with sampling per minute up to 10 samples that
throw the average individual cell and panel in full.
Another 12 temperature sensors shall be arranged at
strategic points, which will give us an average individual
temperature, which will be compared and analyzed using
data acquisition card (DAQ) with Labview® interface for
viewing. Manufacturers indicate and literature tells us
that the efficiency of a photovoltaic cell vs the panel as a
whole, differs from 1 to 3% respectively. Therefore, the
results obtained in this study will give us the pattern to
inquire into this information for making decisions on
what to optimum orientation refers to when
implementing these systems.
Temperature, efficiency, photovoltaic, sensor
Citación: MESSINA-LÓPEZ, Víctor, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César. Efectos dela
temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 65-77
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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VÁZQUEZ, César. Efectos dela temperatura en la eficiencia de un
módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Introducción
La Universidad Tecnológica de Bahía de
Banderas (UTBB) cuenta desde el año 2015
con un sistema fotovoltaico interconectado a la
red de 3kWp en su primera etapa de gestación.
Este sistema se encuentra dentro de sus
instalaciones, específicamente en la azotea del
laboratorio de mantenimiento industrial.
Figura 1 Sistema fotovoltaico de 3kWp en las
instalaciones de la UTBB, primera etapa.
En mayo de 2016 concluyó la segunda
etapa, en la cual, se instaló de nueva cuenta
3kWp adicionales para contar a la fecha con un
sistema fotovoltaico interconectado a la red de
6kWp que contribuyen de manera modesta, al
consumo interno pero con una importante
transcendencia en el ámbito académico.
Figura 2 Sistema fotovoltaico de 6kWp en las
instalaciones de la UTBB, segunda etapa.
Uno de los factores más relevantes en la
eficiencia de un módulo fotovoltaico es la
temperatura. La zona geográfica en la que se
encuentra la UTBB brinda parámetros a
considerar.
Mes Temperatura
diaria
mínima
Temperatura
diaria
máxima
Total
de
lluvia
(mm)
Numero
de días
de lluvia
Enero 16.7 28.8 33.8 2.2
Febrero 16.3 29 5.3 0.7
Marzo 16.9 29.2 2 0.6
Abril 17.2 29.9 1.5 0.2
Mayo 20.2 31 15.4 1
Junio 22.8 32.3 187.6 10.8
Julio 22.9 33.3 328.1 16.4
Agosto 23 33.7 312.4 15.2
Septiembre 22.9 33.6 370 15.6
Octubre 22.2 33.6 93.8 5.1
Noviembre 19.7 32.6 19.8 1.4
Diciembre 18 29.9 22.5 1.9
Tabla 1 Temperaturas y total de lluvia para la región de
Bahía de Banderas, Nayarit.(World Weather, 2016)
Figura 3 Información climatológica.
La potencia de salida de un módulo
fotovoltaico depende, entre otros, de los
materiales del módulo y de la cantidad de luz
solar que incide sobre la superficie del panel, la
cual varía día a día y de una región geográfica a
otra y es producto de muchas variables.
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VÁZQUEZ, César. Efectos dela temperatura en la eficiencia de un
módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
También se ve afectada por la
temperatura del módulo, pérdidas por el
cableado, y por condiciones ambientales como
altos niveles de polvo atmosférico. Cada
variable puede contribuir con una pérdida en la
eficiencia que puede dar como resultado una
dramática reducción en el rendimiento general
del panel fotovoltaico (Ali Al Shehri, 2016).
Fundamentos
El Sol irradia una gran cantidad de energía,
misma que llega a la superficie terrestre en una
ínfima parte, (aproximadamente dos
millonésimas partes). Pero esa parte minúscula
en términos relativos, supone un flujo
extraordinario de energía solar de 1018
kilovatios-hora (kWh) anual. Una cantidad que
supera con creces, no solo nuestro consumo de
energía anual, sino la propia energía contenida
en todas las reservas conocidas de energías
fósiles. El flujo de energía procedente del Sol es
unas 10,000 veces mayor que nuestro consumo
energético actual. O dicho en otras palabras,
bastaría utilizar el 0.01% de ese flujo energético
para cubrir nuestra demanda. (Vallina, 2011).
Un panel fotovoltaico es un conjunto
interconectado de células solares y es el
componente básico de un sistema fotovoltaico.
Un panel o módulo fotovoltaico se compone de
una parte frontal transparente, con un perfil de
goma, un vidrio frontal, un material de
incrustamiento, encapsulado, células solares y
lámina posterior. Está enmarcado con un marco
de aluminio anodizado, en ocasiones con un
acero inoxidable o con un marco de plástico.
Figura 4 Componentes de un módulo fotovoltaico.
El material de la parte delantera
(superestrato) es generalmente baja en hierro y
el vidrio templado. Los materiales posteriores
comúnmente utilizados (sustratos) son EVA
(etileno-vinilo-acetato) y PVB (polivinilo
butiral). De acuerdo con la tecnología utilizada
en las células solares, los paneles fotovoltaicos
están clasificados como monocristalinos,
policristalinos y paneles solares amorfos, y
estos últimos también se conocen como paneles
de película delgada (Thin film) o capa fina.
El rendimiento de un panel fotovoltaico es
generalmente medido en condiciones standard
de ensayo (Standard Test Conditions o STC):
radiación de 1,000 W/m² (incidencia normal),
distribución espectral AM 1.5 y temperatura de
la célula a 25° C.
Las características eléctricas de los
paneles solares, incluyen numerosos
parámetros, por citar algunos, incluye el tipo de
célula y número, así como su interconexión.
Caja de conexiones, tipo y grado IP de
protección, la potencia nominal, máxima y
mínima garantizada, el voltaje de circuito
abierto, intensidad de cortocircuito, corriente y
tensión máxima de potencia y tensión máxima
del sistema interconectado. También el fusible,
diodos bypass, cableado de conexión y
longitud, los conectores y tipo, eficiencia del
panel, la tolerancia de la potencia máxima y los
coeficientes de temperatura.
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módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
En cuanto a la temperatura existe una
variable que es la temperatura de operación
nominal de las células (NOCT o Nominal
Operation Cell Temperature): radiación de 800
W/m² (incidencia normal), distribución
espectral AM 1.5, temperatura ambiente de 20°
C y velocidad del viento de 1 m/s.
La medida más interesante es la eficiencia
del panel, o qué porcentaje de energía de la luz
que incide en el panel se convierte en
electricidad. Usted debe ser consciente, sin
embargo, que la eficiencia de la célula solar no
es igual a la eficiencia del panel.
La eficiencia del panel es generalmente
de 1 a 3% inferior a la eficiencia de células
solares debido a la reflexión de vidrio, marco de
sombra, las temperaturas más altas, etc. Por eso
algunos fabricantes pueden hablar de la
eficiencia de su célula en lugar de la eficiencia
del panel.
Una segunda medida del rendimiento es
la tolerancia de potencia, que indica el rango de
potencia nominal que el fabricante puede
garantizar. Por ejemplo, una tolerancia final -
3% inferior significa que la potencia pico real
podría ser 3% inferior a la potencia nominal
indicada.
La tercera medida importante es el
rendimiento de los coeficientes de temperatura
que muestran cómo los resultados del panel
seguirán los cambios de temperatura. Tres
coeficientes de temperatura más comunes están
disponibles en las hojas de datos del panel, y
deben considerarse como parámetros
importantes en la etapa de diseño de los
sistemas fotovoltaicos.
Los paneles solares deben soportar el
calor, el frío, lluvia y granizo durante muchos
años. Muchos fabricantes de módulos
fotovoltaicos de silicio cristalino ofrecen
garantías que garantizan una producción
eléctrica durante 10 años en el 90% de la
producción de potencia nominal y 25 años en
un 80%.
Estos datos son aproximados, por lo que
hay que tener prudencia y asegurarse la garantía
de potencia en el contrato de compraventa o por
lo menos del fabricante. La certificación de los
paneles, es imprescindible tanto en Europa
como en América. Estos, además de asegurar la
calidad del producto, sirven para obtener la
aprobación de los descuentos federales y
estatales en los EE.UU. Cada uno de los países
y los estados tienen un conjunto específico de
normas que deben cumplir los paneles solares
ya sea para uso casero o de uso público. Las
normas de certificación más comunes son:
- TÜV Certificate (Alemania)
- IEC 61215 (crystalline silicon
performance), 61646 (thin film performance) y
61730 (safety class II)
- UL 1703 (Underwriters Laboratories
Inc. EEUU)
- Marcado C
- E (Normas de la Unión Europea)
- El certificado TÜV indica que los
paneles han superado las pruebas de las normas
IEC, mientras que el certificado UL implica la
prueba UL 1703.
(APS Valencia Energías Renovables , 2012)
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módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Desarrollo
El desarrollo de la investigación se centra en la
toma de 30 lecturas de temperatura en un
módulo fotovoltaico integrante del sistema con
el que se cuenta en la UTBB, para determinar
cómo afecta la temperatura la eficiencia del
dispositivo en su conjunto. La toma de dichas
lecturas procederá de sensores de temperatura
LM35, los cuales, tendrán una disposición
específica con el fin de poder obtener datos más
precisos de la temperatura total del módulo en
cuestión. Estos datos de salida serán
concentrados en tarjetas DAQ´s (Data
AdQuisition), por sus siglas en Ingles para ser
analizados individualmente y en su conjunto
por medio de interfaz a Labview®. El sistema
fotovoltaico interconectado a la red es de una
potencia de 6kWp y consta de dos inversores
con una potencia de 3kW cada uno, 24 módulos
fotovoltaicos marca Solartec®, con una
potencia individual de 250W.
Figura 5 SFV interconectado a la red en la UTBB.
Figura 6 Hoja de datos técnicos, modulo fotovoltaico
Solartec® 250W.
El sensor empleado para esta
investigación es el LM35, debido a su amplio
rango de operación, y a su sencilla
implementación.
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módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Figura 7 Sensor LM35, diagrama de conexión y
encapsulado.
El rango de operación se muestra en la
siguiente tabla, la cual indica que su operación
incrementa o decrementa 10mV por cada grado
centígrado de temperatura.
°C mV
125 1,250
…. ….
45 450
40 400
35 350
30 300
25 250
20 200
15 150
10 100
5 50
0 0
-10 -10
…. ….
-40 -400
Tabla 2 Rangos de temperatura del sensor LM35.
Los 30 sensores de temperatura estarán
adheridos con cinta de doble propósito a la
parte interna del módulo fotovoltaico, el cual
cuenta para el modelo S60PC con 60 células
individuales por modulo. En la figura 7 se
muestra la disposición de cada uno de los
sensores en el módulo.
Figura 8 Ubicación de los sensores de temperatura en el
módulo fotovoltaico.
En la siguiente figura se observa de
manera física la conexión y disposición de los
sensores de temperatura en la parte inferior del
módulo fotovoltaico con un salto entre celdas.
Figura 9 Vista interior de los sensores de temperatura en
el módulo fotovoltaico.
Con este arreglo, se pretende abarcar la
mayor área posible del módulo fotovoltaico con
el fin de ver el comportamiento de cada una de
las temperaturas en las distintas zonas del panel
debido a su inclinación con el que fue diseñado,
(aproximadamente 20°), y que en nuestro caso,
coincide con la latitud de 20°38'30.1"N,
mirando hacia el sur geográfico.(NASA, 2014).
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módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Los datos de salidaprovenientes de los
sensores de temperatura seránconectados por
medio de cableado a tarjetas DAQ NI USB300,
las cuales, concentraran a una PC la
información.
Este modelocuenta con 8 entradas
análogas por lo cual se utilizaron 5 tarjetas de
adquisición de datos con conexión USB.
Figura 10 Tarjeta de Adquisición de Datos, DAQ por sus
siglas en Ingles NI USB 6008, con 8 puertos de entrada
análogos.
Figura 11 Tarjetas de adquisición de datos utilizada para
la concentración de la información hacia la PC.
La programación de los comandos e
interpretación de los datos provenientes de los
sensores se realizó con la interfaz Labview®,
en la cual, se implementó un programa
específico que tomara lecturas con un espacio
de 10 minutos por sensor para dar un promedio
de lectura en los 30 instalados en el módulo
fotovoltaico, así como también el promedio
general del sistema en su conjunto. Los datos
de salida se pueden ver de forma gráfica en el
programa o también se pueden descargar en
archivo de Excel *.xls, para su análisis e
interpretación.
Figura 12 Pantalla principal del programa para la toma
de lecturas de los sensores de temperatura en Labview®.
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módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
El programa muestra virtualmente las
mediciones provenientes de los sensores LM35
ubicados en el módulo fotovoltaico, tal y como
se muestra en la figura anterior, con la
diferencia que el modulo en la ventana se
muestra de manera horizontal para fines
prácticos, y su ubicación real es 90° hacia la
derecha. Las siglas para los sensores son TC, y
van del TC1 al TC30, con un color verde
(simulando un LED), para temperaturas que
oscilan en los rangos de 10° a los 40°C,
cualquier temperatura inferior o superior
respectivamente se visualizara con un color rojo
para su rápida identificación.
Figura 13 Pantalla principal del programa con lecturas
fuera de rango u anómalas.
Las lecturas del díase muestran en la
siguiente tabla de la interfaz Labview®, donde
muestra el número de lectura, fecha de la
lectura, hora de la lectura y los 30 sensores en
cuestión.
Figura 14 Pantalla con la tabla de datos.
Adicionalmente, el programa muestra las
gráficas individuales de cada uno de los 30
sensores para ver su tendencia con respecto al
tiempo, y una gráfica para el promedio total. A
la izquierda de la gráfica se muestran las
últimas 7 lecturas registradas por el programa.
Figura 15 Grafica de cuatro sensores operando
simultáneamente.
Resultados
La temperatura óptima de operación de los
módulos fotovoltaicos Solartec nos dice lo
siguientes:
Condiciones de Operación
Temperatura -40 hasta + 90°C
Carga máxima 50 psf (2,400 pascales)
Resistencia al
impacto
Granizo - 25mm (1in.) a 23m/s
Normado con IEC 61215 / IEC 61730 / NMX-
J-618
Tabla 3 Condiciones de operación del módulo Solartec
S60PC.
Donde la eficiencia del panel es del
15.29% a una temperatura de prueba estándar
de 25°C, y (Solartec, 2016) radiación de 1,000
W/m² (incidencia normal), distribución
espectral AM 1.5 y velocidad del viento de 1
m/s.(Solartec, 2016)
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módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
La temperatura registrada por los sensores
se realizó entre el 12 de agosto y el 9 de
septiembre, los meses más calurosos del año en
la región de Bahía de Banderas, Nayarit.
Para fines prácticos el análisis se tomó el día 12
de septiembre, el cual, tuvo momentos
intermitentes de sol y nubes debido al temporal
de lluvias.
Los resultados fueron analizados en un
programa de hoja de cálculo para ver el
comportamiento del módulo a través del tiempo
que se tomó para la realización de esta
investigación.
Los registros de temperatura en las
siguientes tablas nos muestran distintos rangos
en las células fotovoltaicas del módulo
señalado.
09/12/2016 07:30:00 p.m. 19.49 18.95 18.93
09/12/2016 07:40:00 p.m. 18.65 18.03 18.35
09/12/2016 07:50:00 p.m. 18.25 17.53 17.87
09/12/2016 08:00:00 p.m. 17.60 16.96 17.47
09/12/2016 08:10:00 p.m. 17.00 16.29 16.94
09/12/2016 08:20:00 p.m. 17.14 16.34 16.98
09/12/2016 08:30:00 p.m. 17.73 16.97 17.70
09/12/2016 08:40:00 p.m. 17.62 16.82 17.56
09/12/2016 08:50:00 p.m. 16.88 16.04 16.79
09/12/2016 09:00:00 p.m. 17.18 16.29 17.01
09/12/2016 09:10:00 p.m. 17.58 16.69 17.34
09/12/2016 09:20:00 p.m. 17.14 16.23 16.87
09/12/2016 09:30:00 p.m. 17.35 16.48 17.17
09/12/2016 09:40:00 p.m. 19.28 18.43 19.18
09/12/2016 09:50:00 p.m. 19.12 18.24 18.93
09/12/2016 10:00:00 p.m. 16.85 15.92 16.54
09/12/2016 10:10:00 p.m. 15.83 14.86 15.51
09/12/2016 10:20:00 p.m. 15.31 14.50 15.22
09/12/2016 10:30:00 p.m. 15.17 14.29 15.01
09/12/2016 10:40:00 p.m. 15.66 14.75 15.34
09/12/2016 10:50:00 p.m. 15.14 14.26 14.89
09/12/2016 11:00:00 p.m. 15.00 14.18 14.89
09/12/2016 11:10:00 p.m. 15.08 14.28 15.05
09/12/2016 11:20:00 p.m. 15.03 14.21 14.95
09/12/2016 11:30:00 p.m. 15.05 14.26 15.10
09/12/2016 11:40:00 p.m. 15.09 14.27 15.06
09/12/2016 11:50:00 p.m. 14.94 14.17 15.02
Tabla 4 Temperatura registrada en celdas solares con un
rango de 0 a 20°C.
En la tabla se obtuvo que los sensores T1,
T2 y T3, registraron temperaturas inferiores a
los 20°C, siendo estos los que se encuentran en
la parte superior del módulo fotovoltaico, con
intervalos desde las 3:30 p.m, hasta el final del
día de medición.
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VÁZQUEZ, César. Efectos dela temperatura en la eficiencia de un
módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
09/12/2016 07:30:00 p.m. 28.11 29.77
09/12/2016 07:40:00 p.m. 27.19 28.69
09/12/2016 07:50:00 p.m. 25.95 27.42
09/12/2016 08:00:00 p.m. 24.60 25.98
09/12/2016 08:10:00 p.m. 23.81 25.12
09/12/2016 08:20:00 p.m. 22.97 24.32
09/12/2016 08:30:00 p.m. 22.28 23.64
09/12/2016 08:40:00 p.m. 22.38 23.69
09/12/2016 08:50:00 p.m. 22.59 23.88
09/12/2016 09:00:00 p.m. 22.48 23.82
09/12/2016 09:10:00 p.m. 22.41 23.75
09/12/2016 09:20:00 p.m. 21.78 23.19
09/12/2016 09:30:00 p.m. 22.54 23.89
09/12/2016 09:40:00 p.m. 22.52 23.82
09/12/2016 09:50:00 p.m. 22.58 24.01
09/12/2016 10:00:00 p.m. 23.53 24.98
09/12/2016 10:10:00 p.m. 23.12 24.63
09/12/2016 10:20:00 p.m. 22.56 23.99
09/12/2016 10:30:00 p.m. 22.14 23.56
09/12/2016 10:40:00 p.m. 22.23 23.69
09/12/2016 10:50:00 p.m. 22.30 23.77
09/12/2016 11:00:00 p.m. 22.19 23.66
09/12/2016 11:10:00 p.m. 22.39 23.84
09/12/2016 11:20:00 p.m. 22.10 23.54
09/12/2016 11:30:00 p.m. 22.07 23.53
09/12/2016 11:40:00 p.m. 22.53 23.98
09/12/2016 11:50:00 p.m. 22.43 23.88
Tabla 5 Temperatura registrada en celdas solares con un
rango de 20 a 30°C.
En la tabla anterior se muestran las
temperaturas que estuvieron en los rangos de 20
a 30°C, que es la temperatura en que se realizan
las pruebas a los módulos fotovoltaicos,
estando solamente 10 de las 60 celdas dentro de
estos parámetros de temperatura.
Fecha Hora T1C
1
T1C
2
T1C
3
T1C
4
T1C
5
T1C
6
T1C
7
09/12/20
16
09:50:00
a.m.
28.1
9
27.8
6
25.0
3
26.3
8
35.1
8
37.8
0
55.5
6
09/12/20
16
10:00:00
a.m.
31.1
4
30.8
7
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9
28.8
6
38.3
5
41.1
8
72.7
8
09/12/20
16
10:10:00
a.m.
32.8
1
32.5
8
28.3
7
30.1
9
39.6
3
42.8
0
86.6
0
09/12/20
16
10:20:00
a.m.
33.6
6
33.6
6
29.0
6
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9
40.1
0
43.4
1
73.0
8
09/12/20
16
10:30:00
a.m.
34.3
0
34.5
9
29.9
9
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9
41.4
4
44.3
9
42.3
6
09/12/20
16
10:40:00
a.m.
35.4
4
35.9
3
30.8
7
61.1
6
42.4
2
45.5
0
48.2
6
09/12/20
16
10:50:00
a.m.
36.8
3
37.1
3
32.3
0
34.0
4
44.4
0
46.7
4
44.7
9
09/12/20
16
11:00:00
a.m.
38.8
2
39.4
2
33.3
4
35.5
7
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3
48.6
9
48.5
4
09/12/20
16
11:10:00
a.m.
36.8
2
36.8
1
33.1
1
40.0
0
44.9
3
46.3
8
44.3
8
09/12/20
16
11:20:00
a.m.
37.4
5
37.8
9
33.9
4
46.2
6
45.9
9
47.6
5
45.2
1
09/12/20
16
11:30:00
a.m.
40.9
8
41.2
9
36.7
1
49.4
7
49.4
3
51.3
7
59.7
5
09/12/20
16
11:40:00
a.m.
38.5
7
37.7
9
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8
42.0
2
48.1
1
48.3
4
46.3
5
09/12/20
16
11:50:00
a.m.
38.3
6
37.7
8
36.0
4
44.5
6
49.0
0
48.4
2
46.2
1
09/12/20
16
12:00:00
p.m.
37.9
1
37.5
6
35.7
4
44.5
8
48.0
2
47.9
3
47.8
6
09/12/20
16
12:10:00
p.m.
37.3
1
37.8
7
35.4
2
44.9
3
47.1
6
47.8
1
51.9
6
09/12/20
16
12:20:00
p.m.
37.0
9
37.0
8
35.1
7
48.0
2
47.2
7
47.3
6
47.2
8
09/12/20
16
12:30:00
p.m.
37.5
8
37.7
2
35.7
7
48.7
9
48.0
5
48.0
5
54.4
5
09/12/20
16
12:40:00
p.m.
38.0
9
37.9
9
35.5
8
45.9
1
47.5
5
48.3
3
48.0
0
09/12/20
16
12:50:00
p.m.
39.8
3
39.9
2
36.9
0
45.9
9
49.1
0
49.8
3
47.1
4
09/12/20
16
01:00:00
p.m.
39.8
8
39.2
7
37.4
0
52.3
0
49.1
4
49.2
3
46.8
7
09/12/20
16
01:10:00
p.m.
38.8
3
38.8
4
36.4
7
49.3
0
48.4
9
49.1
4
48.2
1
09/12/20
16
01:20:00
p.m.
40.6
3
40.0
4
37.6
2
47.7
7
48.9
9
49.5
4
47.0
7
09/12/20
16
01:30:00
p.m.
39.3
6
39.1
0
37.1
7
49.6
9
48.7
7
49.1
1
61.4
0
09/12/20
16
01:40:00
p.m.
41.7
5
41.9
2
38.4
6
53.2
0
51.1
9
52.0
5
49.2
5
09/12/20
16
01:50:00
p.m.
39.8
5
39.8
8
37.0
0
46.6
3
49.0
3
49.8
1
50.9
7
09/12/20
16
02:00:00
p.m.
39.1
1
39.0
4
36.8
4
47.0
1
48.3
7
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7
57.0
7
09/12/20
16
02:10:00
p.m.
39.9
3
40.3
6
37.1
3
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2
48.8
0
50.1
2
48.8
7
09/12/20
16
02:20:00
p.m.
39.2
6
39.3
6
36.6
2
44.7
2
48.5
2
49.3
6
76.0
7
09/12/20
16
02:30:00
p.m.
41.5
1
41.8
5
37.5
4
44.7
6
49.6
4
51.7
0
64.1
0
09/12/20
16
02:40:00
p.m.
39.1
6
39.4
9
36.4
1
44.5
8
48.0
2
49.3
6
67.7
9
09/12/20
16
02:50:00
p.m.
39.9
5
40.0
7
36.6
9
41.1
4
48.3
1
50.0
5
73.4
4
09/12/20
16
03:00:00
p.m.
38.3
5
38.0
7
35.7
6
48.7
7
46.9
5
48.1
0
79.2
6
09/12/20
16
03:10:00
p.m.
34.3
3
34.5
3
31.4
4
37.4
7
46.9
1
48.7
3
81.7
5
Tabla 6 Temperatura registrada en celdas solares con un
rango de 30 a 50°C.
75
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 65-77
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VÁZQUEZ, César. Efectos dela temperatura en la eficiencia de un
módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Las temperaturas en el módulo
fotovoltaico entre los 30 y los 50°C son las
temperaturas que predominaron en los registro,
incluso se registraron temperaturas en estos
rangos en la que no recibían radiación solar.
09/12/201
6 11:30:00 a.m.
51.80
50.66
52.13
50.23
52.02
09/12/201
6
11:40:00
a.m.
49.3
3
49.4
9
52.0
5
48.4
3
49.1
0
09/12/2016
11:50:00 a.m.
49.91
50.39
53.01
49.88
49.84
09/12/201
6
12:00:00
p.m.
49.1
0
49.7
0
52.3
8
48.9
1
49.0
0
09/12/2016
12:10:00 p.m.
48.79
48.89
51.50
48.14
48.84
09/12/201
6
12:20:00
p.m.
48.6
8
48.8
7
51.6
6
48.0
9
48.5
3
09/12/2016
12:30:00 p.m.
49.46
49.73
52.50
48.89
49.06
09/12/201
6
12:40:00
p.m.
49.4
4
49.4
8
52.0
9
48.7
0
49.3
6
09/12/2016
12:50:00 p.m.
50.87
50.84
53.44
49.94
50.74
09/12/201
6
01:00:00
p.m.
50.6
6
51.0
5
54.0
6
49.9
8
50.1
8
09/12/2016
01:10:00 p.m.
50.36
50.39
53.00
49.25
49.89
09/12/201
6
01:20:00
p.m.
50.7
7
50.7
0
53.6
4
49.6
6
50.4
8
09/12/201
6
01:30:00
p.m.
50.4
3
50.7
5
53.7
1
49.6
8
50.1
9
09/12/201
6
01:40:00
p.m.
53.1
9
53.0
0
55.3
5
51.9
7
53.0
4
09/12/201
6
01:50:00
p.m.
51.0
2
50.8
8
53.5
3
49.8
5
50.7
4
09/12/201
6
02:00:00
p.m.
50.4
0
50.3
1
53.0
5
49.2
7
50.0
9
09/12/201
6
02:10:00
p.m.
51.1
0
50.9
3
53.3
8
49.7
7
50.9
5
09/12/201
6
02:20:00
p.m.
50.5
4
50.7
1
53.0
6
49.5
8
50.4
8
09/12/201
6
02:30:00
p.m.
52.2
1
53.2
4
53.5
5
50.4
6
52.4
8
09/12/201
6
02:40:00
p.m.
50.3
7
50.4
9
52.4
2
49.0
3
50.2
6
09/12/201
6
02:50:00
p.m.
50.7
1
50.3
8
52.7
1
49.4
3
50.9
3
09/12/201
6
03:00:00
p.m.
48.9
9
49.1
8
51.5
1
48.0
8
49.0
0
09/12/201
6
03:10:00
p.m.
49.3
4
62.7
2
50.8
9
48.2
5
49.8
3
09/12/201
6
03:20:00
p.m.
50.5
2
65.3
0
52.1
8
49.3
6
50.7
0
Tabla 7 Temperatura registrada en celdas solares con un
rango > a 50°C.
Las celdas solares con temperaturas arriba
de los 50°C se reparten entre las horas de
mayor incidencia solar que comprende de las
11:30 a.m, a las 16:40
Conclusiones
La temperatura promedio que nos arrojó el
modulo fotovoltaico con los 30 sensores
dispuestos en 30 células de las 60 que lo
componen fue de ≈ 25.65°C en el trascurso del
día.
Diversos factores son los que afectan la
temperatura de los módulos instalados, entre
ellas se analizaron:
1. La temporada de verano en la zona de
la investigación.
2. La temperatura del panel que llega a
incrementarse por arriba de los 50°C
3. Temperaturas de hasta 30°C por las
noches.
4. La inclinación del módulo fotovoltaico,
20°, orientación sur.
5. El remanente de calor de la losa que
transfiere al módulo fotovoltaico.
6. La temporada de lluvias que hace
descender la temperatura de los
paneles.
7. La nubosidad.
Las horas solares pico que se registran en la
entidad son las siguientes.(R. Almanza S)
Tabla 8 Horas solares pico para la región de Bahía de
Banderas, Nayarit
76
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Septiembre 2016 Vol.3 No.8 65-77
ISSN-2410-3950
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MESSINA-LÓPEZ, Víctor, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-
VÁZQUEZ, César. Efectos dela temperatura en la eficiencia de un
módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Para el mes en que se realizó el estudio el
promedio de horas solares se encuentran en el
orden de las 5.65 al día, con lo que las
temperaturas que mayoritariamente se
encuentran en ese rango de producción del
sistema fotovoltaico son las encontradas entre
los 30 y los 50°C, por lo que el sistema trabaja
en regiones superiores a las que el fabricante
especifica un eficiencia de 15.29%, a una
temperatura de 25°C.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su agradecimiento
a la Universidad Tecnológica de Bahía de
banderas por las facilidades otorgadas para la
realización del presente trabajo y a los
integrantes del cuerpo académico de Innovación
y Aplicación Tecnológica, por los comentarios
y sugerencias que permitieron la mejora del
artículo.
Referencias
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Febrero de 2012). Obtenido de
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77
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VÁZQUEZ, César. Efectos dela temperatura en la eficiencia de un
módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
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Businessweek.
79
Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 78-83
Simulación de la fermentación de jugo de betabel usando diferentes
concentraciones de biomasa
VILLEDA-CARPIO, Yaneli*†, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué y JIMENEZ-
ISLAS, Donaji.
Recibido Julio 5, 2016; Aceptado Septiembre 13, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
En el presente trabajo se estudio el efecto de una capa de
aceite para la producción de etanol a partir de jugo de
betabel (Beta vulgaris L.) utilizando la cepa
Saccharomyces cerevisiae ITD00196. La fermentación
alcoholica fue posible adicionándole una capa de aceite
para tener un ambiente anaerobio. Los datos cinéticos
obtenidos fueron ajustado a los modelos: logísticos, y
Luedeking-Piret para el crecimiento microbiano y la
producción de etanol, respectivamente. Las ecuaciones
usadas en el modelo indican que con una concentración
inicial de biomasa de 0.008 g/L, la fase de retardo fue
de 6 h, mientras tanto con una concentración de 0.15 g/L
de biomasa la fase de retardo fue de 2 h. Con base a los
datos obtenidos se presentó una velocidad específica de
crecimiento (µ) de 0.37 h-1
, con una productividad que
va desde 0.56 a 0.95 g/L de etanol en función de la
concentración inicial de biomasa.
Fase inmisible, Etanol, Beta Vulgaris, anaerobia
Abstract
In this paper was analyzed the effect of oil on production
of ethanol from beet juice (Beta vulgaris L.) using
Saccharomyces cerevisiae strain the
ITD00196. The logistic equation and Luedeking - Piret
are used in microbial growth and ethanol production
respectively. Saccharomyces cerevisiae strain ITD00196
the that use in this study is capable of producing ethanol
with a layer of oil which makes the fermentation is
anaerobic. The equations used in the model indicate that
with 0.008 g / L is the lag phase of 6 hours while the
concentration of 0.02 g / L is the lag phase 0 h. However
presents a specific growth rate of 0.37 h -1
, with a
productivity ranging from .56 to .95 g / L ethanol
depending on the initial concentration of biomass.
Immiscible phase, Ethanol, Beta Vulgaris
Citación: VILLEDA-CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué y JIMENEZ-ISLAS,
Donaji. Simulación de la fermentación de jugo de betabel usando diferentes concentraciones de biomasa. Revista de
Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 78-83
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
79
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VILLEDA-CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ,
Josué y JIMENEZ-ISLAS, Donaji. Simulación de la fermentación de jugo de
betabel usando diferentes concentraciones de biomasa. Revista de Sistemas
Experimentales 2016
Introducción
El uso indiscriminado de los combustibles
fósiles (petróleo, gas natural y carbono
principalmente) ha traído consigo una serie de
problemas que afectan a todo el planeta y a los
seres humanos como contaminación y crisis
económica.
Los combustibles fósiles son
considerados como el motor del mundo actual.
En este sentido, surgen formas de energía
alterna: eólica, solar, hidrogeno, biogás,
biodiesel y el bioetanol (García 2008).
El etanol se perfila como un recurso
energético potencialmente sostenible, de alta
viabilidad, que puede ofrecer ventajas
medioambientales y económicas a largo plazo
puesto que a diferencia del petróleo, este se
obtiene a partir de microorganismos, el etanol
es producido por síntesis química a partir del
etileno y por vía biológica a partir de la
fermentación de los azucares; su principal
aplicación es en la industria de las bebidas
alcohólicas y en últimas décadas se plantearon
tecnologías para usarlo como aditivo o
sustitutos de la gasolina.
El uso de aceite comestible en el proceso
de la fermentación alcohólica permite que el
medio se vuelva anaerobio ayudando a esta a
tener una mejor transferencia de masa.
Los modelos matemáticos tienen un
importante rol en la optimización de los
procesos de producción de etanol (Olivera et
al., 2016). El desarrollo de modelos
estructurados permite realizar el bosquejo de
los escenarios de fermentación y con ello
ahorrar en tiempo y recursos para la
experimentación.
En el presente trabajo se tiene como
objetivo la simulación de la fermentación del
jugo de betabel con diferentes concentraciones
de biomasa adicionándoles una fase inmiscible
que permita tener una mejor transferencia de
masa.
Materiales y métodos
Saccharomyces cerevisiae
Se utilizó la cepa Saccharomyces cerevisiae
ITD00196 (proporcionada por el Instituto
Tecnológico de Durango) en medio YPD con
los los siguientes componentes (g/L): extracto
de levadura 10, Tryptone 20, glucosa 20 y agar
16 a una temperatura de 30°C.
Para el crecimiento de la cepa se
utilizaron matraces de 250 mL, que contenía
100 mL del medio liquido YPD estéril, el
matraz se colocó en el Shaker y se incubo por
12 h, 130 rpm y 30°C. Una vez transcurrido el
tiempo del cultivo, se realizó la cuantificación
de biomasa mediante cámara Neubauer. se
transfirió el volumen necesario de cultivo a
100mL del medio YPD estéril inoculando
y se incubo por 12h, 130rpm y
30°C; en cuanto termino el tiempo de
crecimiento, se determinó la concentración en
la cámara de Neubauer que se usó como
inoculo para el jugo de betabel con una
concentración inicial de .
Sustrato
Se utilizo betabel (Beta vulgaris L.) proveniente
de diferentes sitios de cultivo. El material fue
lavado con detergente comercial y agua
directamente del grifo, posteriomente se
disminuyo su tamaño para introducirse a un
extractor de jugos obteniendo asi el sustrato
(jugo) y el gabazo.
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betabel usando diferentes concentraciones de biomasa. Revista de Sistemas
Experimentales 2016
El jugo fue almacenado en resipientes de
1L y preservado a 4°C para prevenir posible
degradación.
Fermantacion alcohólica Beta vulgaris L.
El proceso de Fermentación de (Beta vulgaris
L.) fue realizada en matraces Erlenmeyer de
500 mL.
Cada matraz contenía 200 mL de jugo
con una capa de aceite comestible de 50 mL
obteniendo así inmisibilidad en la fermentación.
Posteriormente fue llevado a esterilización en
autoclave teniendo como condiciones (15min,
121°C; 1 kg/cm2).
Cada matraz fue inoculado con una
concentracion de fueron
incubados sin agitación a una temperatura de
30°C.
Se tomaron muestras con intervalos de 2
h para determinar el crecimiento de biomasa.
Al término de la fermentación las muestras
obtenidas se conservaron a 4°C para
posteriormente llevar acabo el análisis de la
producción de etanol. Cada experimento fue
realizado por duplicado.
Método Analitico
Las ecuaciones logísticas y Luedeking -Piret se
desarrollan para obtener el crecimiento y la
síntesis de producto. La ecuación 1 se obtiene
por integración de la ecuación logística,
mientras que la ecuación 2 se obtiene
dividiendo las ecuaciones Luedeking -Piret,
respectivamente.
Los datos cinéticos se utilizaron para
adaptarse a los parámetros cinéticos obtenidos
en el experimento utilizando la función Solver
de Microsoft Excel Soft Corporation. El
programa de simulación fue diseñado para
lograr el error normalizado mínimo utilizando
la función Solver. La ecuación 1 y 2 se
ajustaron a los datos experimentales para
determinar los parámetros cinéticos para el
crecimiento microbiano (μmax y Xmax) y la
producción de etanol (α y β). Los parametros
cinéticos de la cepa fueron estimados con μmax
=0.37, Xmax=3.15 g/L y α=5.32.
Resultados
Se evaluó el crecimiento de la biomasa y la
producción de etanol durante la fermentación,
utilizando como sustrato el jugo de Beta
vulgaris L.l a cepa S. cerevisiae ITD00196 a
una temperatura de 30°C.
Los perfiles de producción de etanol
por S. cerevisiae ITD00196 con una fase
inmiscible durante la fermentación a 30°C, se
muestran en en el gráfico 1 donde se puede
observar la máxima producción de etanol (16.5
g/L). Las graficas 2-4 muestran la simulación
con diferentes concentraciones iniciales de
biomasa mostrando asi el comportamiento de la
cepa S. cerevisiae ITD00196.
(1)
(2)
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Experimentales 2016
Gráfico 1 Producción de etanol por S. cerevisiae
ITD00196 con fase inmiscible a una temperatura de
30°C. • Ethanol, ∆ Modelo.
Gráfico 2 Modelado cinético de la fermentación de
jugo de Beta vulgaris L. con 0.008 g/L de S.
Cerevisiae ITD00196 a una
temperatura de 30°C. • Producto, ∆ Biomasa.
Gráfico 3 Modelado cinético de la fermentación de jugo
de Beta vulgaris L.con 0.01 g/L de S.
Cerevisiae ITD00196 a una
temperatura de 30°C. • Producto, ∆ Biomasa.
Gráfico 4 Modelado cinético de la fermentación de
jugo de Beta vulgaris L.con 0.015 g/L de S. Cerevisiae
ITD00196 a una temperatura de 30°C. • Producto, ∆
Biomasa.
Por lo tanto, el tiempo de inicio de la
producción de etanol fue similar al tiempo de
fase de retardo demostrando que el etanol es un
producto asociado al crecimiento.
Los parámetros cinéticos muestran que
existe un incremento similar en crecimiento
como en producto. Sin embargo mostraron
valores µmax y Xmax favorables debido a la cepa.
Tabla 1 Los parámetros cinéticos estimados por el
modelo matemático utilizando datos experimentales.
De acuerdo a las diferentes
concentraciones de biomasa utilizada se obtuvo
una productividad (Qp) 0.53, 0.66 y 0.95 g/L/h
con respecto a los datos simulados.
0
5
10
15
20
0 10 20 30
Eth
ano
l/(g
/l)
Tiempo en (h)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 2 4 6 8 10
Pro
du
cto
(g/
L)
Tiempo (h)
0
0,5
1
1,5
2
0 2 4 6 8 10
Pro
du
cto
(g/
L)
Tiempo (h)
0
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10
Pro
du
cto
(g/
L)
Tiempo (h)
Temperatura 30°C
S. cerevisiae
ITD00196
Con aceite
µmax
Xmax
α
β
0.37
3.15
5.32
0
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Experimentales 2016
µmax= Tasa máxima de crecimiento
especifico (h-1), Xmax=máxima concentracion
de biomasa (g/L), α= coeficiente de crecimiento
asociada para el producto (g de etanol por g de
biomasa), β= coeficiente no asociado a
crecimiento para el producto (g de etanol por g
de biomasa por h), Qp= la productividad
volumétrica de etanol (g de etanol por L por h).
No estimado por el modelo.
Las condiciones de temperatura y la fase
inmiscible durante la fermentación buscan
obtener un proceso totalmente anaerobio y la
mayor producción de etanol. Por otro lado Beta
vulgaris L. es un candidato propicio para ser
considerado como sustrato alterno a los
materiales lignocelulosicos como pajas y
gabazos sin embargo no se considera como un
alimento y solo es utilizado como pinturas
artificiales para la industria.
El modelo cinético favorece el desarrollo
de escenarios diversos sin necesidad de llevar a
cabo experimentos adicionales. Las condiciones
de crecimiento del microorganismo favorecen
la formación de producto, se tiene que con
incremento de la concentración de biomasa se
reduce la fase de retardo gráfico 4.
La velocidad específica de crecimiento es
similar a la reportada por diversos autores
usando S. cerevisiae. Boudjema et al. (2015)
encontró similares resultados de la asociáción
de producto a crecimiento usando lactosuero
dulce fermentado con S. cerevisiae DIV13-
Z087C0VS.
Las condiciones de fermentación usando
fases inmiscibles favorecen la agitación y por
ello se incrementa la transferencia de masa en
la fermentación.
Conclusión
Las simulaciones utilizando los modelos
matemáticos logístico y Luedeking-Piret
muestran que con diferentes concentraciones
iniciales de biomasa se observan diferentes
comportamientos de acuerdo al crecimiento y la
producción de etanol.
Estos modelos ayudan a conocer el
comportamiento de la cepa e ir interactuando
con diferentes concentraciones de biomasa. El
modelo cinético favorece el desarrollo de
escenarios diversos sin necesidad de llevar a
cabo experimentos adicionales. La adicion de
una fase inmisible favorecen la agitación y se
incrementa la transferencia de masa en la
fermentación.
Agradecimientos
Al CONACYT proyecto C-291045.33/2016,
Ciencia básica proyecto 223444. Al proyecto
del TECNM 2016.
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Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 84-90
Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un banco de celdas de
combustible PEM
MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador*†, GARCÍA-GALLEGOS, Jesús, DUARTE-MOLLER, José y
OLIVARES-RAMÍREZ, Juan.
Recibido Julio 25, 2016; Aceptado Septiembre 22, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
Las celdas de combustible son dispositivos
electroquímicos eficientes que además de producir
electricidad y calor, producen agua como subproducto
durante su operación, pero poco se ha investigado acerca
de la producción de agua a partir de una celda de
combustible. En este proyecto se diseñó y construyó una
celda de combustible de membrana de intercambio
protónico (PEM) para determinar y comparar con datos
experimentales la cantidad de agua producida por ésta. Se
investigo acerca de los antecedentes en las metodologías
de diseño de celdas de combustible de intercambio
protónico. Seguidamente se dio paso a la etapa de diseño,
la cual involucró cálculos para la determinación del agua
producida, análisis de gráficos y tablas, cálculo y
selección de materiales e insumos necesarios para la
construcción de la celda de combustible. Posteriormente
se llevó a cabo el modelado de la celda, en donde se pudo
visualizar el comportamiento de la celda de combustible
bajo diferentes condiciones de operación, se efectuaron
mediciones del voltaje generado y corriente que circula
por la celda de combustible y finalmente se compararon
los resultados teóricos obtenidos con los experimentales
de una celda de combustible de características similares.
Celda de combustible, membrana de intercambio
protónico (PEM), sistema de humifificación
Abstract
Fuel cells are efficient electrochemical devices that
besides producing electricity and heat, produce water as a
byproduct during operation, but little research has been
done on the production of water from a fuel cell. This
project was designed and built a fuel cell proton
exchange membrane (PEM) to determine and compare
experimental data with the amount of water produced by
it. He researched about the background in design
methodologies fuel cell proton exchange. Then he gave
way to the design stage, which involved calculations for
determining the water produced, analysis of graphs and
tables, calculation and selection of materials and supplies
needed for the construction of the fuel cell. Parallel was
carried out modeling of the cell, where they could
visualize the behavior of the fuel cell under various
operating conditions, measurements of generated voltage
and current flowing through the fuel cell were made and
finally the results were compared obtained with
experimental theoretical a fuel cell similar characteristics.
Fuel Cells, proton exchange membrane (PEM),
humidification system
Citación: MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador, GARCÍA-GALLEGOS, Jesús, DUARTE-MOLLER, José y OLIVARES-
RAMÍREZ, Juan. Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un banco de celdas de combustible PEM.
Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 84-90
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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MOLLER, José y OLIVARES-RAMÍREZ, Juan. Diseño y construcción de un
sistema de humidificación para un banco de celdas de combustible PEM. Revista
de Sistemas Experimentales 2016
Introducción
La distribución de la temperatura y la humedad
en una celda de combustible de membrana de
intercambio de protones (PEM) son factores
críticos que influyen en el rendimiento de la
celda. El contenido de agua y de la
conductividad de la membrana de intercambio
de protones afecta directamente el rendimiento
(Le Canut, Abouatallah, & Harrington, 2006)
(Hinds, Stevens, Wilkinson, de Podesta, & Bell,
2009), porque el exceso de agua en el canal de
flujo puede causar inundaciones y evitar la
difusión del gas: Las temperaturas
excesivamente altas o bajas pueden causar la
deshidratación de la membrana de intercambio
de protones, y empeorar el rendimiento de la
celda de combustible. Liu demostró que la
acumulación de columnas de agua líquida en
los canales de flujo del cátodo reduce el área de
reacción electroquímica efectiva, lo que limita
la transferencia de masa y empeora el de
rendimiento de las celdas (Liu, Guo, & Ma,
2006). Wang señaló que la gestión del agua en
estado líquido afecta significativamente el
desempeño PEM, especialmente en alta
densidad de corriente (Wang & Zhou, 2011).
Trabold aplica imágenes de neutrones para la
investigación de la distribución de las
inundaciones de agua, la detección in situ la
variación en la cantidad de agua que se produce
en una celda de combustible en funcionamiento
(Wang & Zhou, 2011). Las pruebas realizados
por Zhang reveló que el rendimiento empeora
gradualmente a medida que la humedad relativa
disminuyó desde 100% a 25% (Zhang, y otros,
2008). La mayoría de las investigaciones de
tensión y la humedad en las PEMFC implican
la inserción de sensores pequeños en las celdas.
Por ejemplo, David examinó la distribución de
la temperatura en las celdas de combustible que
utilizan fibra Bragg una tecnología de división.
El resultado reveló una diferencia entre
las temperaturas de la entrada y la de salida de
1°C (David, Wild, Hu, & Djilali, 2009). Inman
midió “in situ” la temperatura de reacción en
una celda de combustible en funcionamiento
colocando cinco sensores de temperatura de
fibra en ella (Inman, Wang, & Sangeorzan,
2010). Hinds emplean sensores de temperatura
y humedad comerciales, con una gran área
activa, en una sola celda PEM (Hinds, Stevens,
Wilkinson, de Podesta, & Bell, 2009). Wang
utiliza un dispositivo de infrarrojos para medir
la distribución de la temperatura exterior con
diferentes condiciones de operación (Wang,
Guo, & Ma, 2006). Karimi observa la
distribución de agua dentro de las celdas de
combustible. Sus resultados de las simulaciones
revelaron que el aumento de la humedad
promovió inundaciones de agua (Karimi,
Jafarpour, & Li, 2009). Shimpalee realizó
variaciones simuladas de temperatura,
humedad, y la corriente en una PEM. Sus
resultados demostraron que las inundaciones de
agua afecta la reacción de la celda de
combustible, reduciendo indirectamente la
temperatura y corriente (Shimpalee & Zee,
2007). Con este trabajo se pretende determinar
y hacer una comparación con datos
experimentales de la cantidad de agua
producida por una celda de combustible de
membrana de intercambio protónico. Para tal
fin, los objetivos específicos están enmarcados
en el diseño y construcción de una PEM, la
determinación teórica de la cantidad de agua
producida por ésta bajo diferentes condiciones
de operación y la validación de los resultados
(cantidad de agua producida) comparándolos
con los resultados experimentales existentes de
una celda de combustible de características
similares.
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Funcionamiento de la Celda de Combustible
Las celdas de combustibles son dispositivos
electroquímicos que convierten la energía
contenida en un combustible directamente en
electricidad, sin la necesidad de pasar por una
combustión previa.
Se podría pensar que las baterías
normales y de uso comercial son también
dispositivos generadores de corriente eléctrica,
pero la diferencia principal es que las celdas de
combustible mantienen un suministro constante
de electricidad siempre que exista aporte de
combustible, mientras que las baterías cesan su
producción cuando se agotan los reactivos
químicos que contienen. Sin embargo, existen
baterías que se pueden recargar con electricidad
una vez agotadas.
Desde este punto de vista, los motores de
combustión actuales podrían ser también
considerados como generadores de electricidad,
pero esto no sucede de forma directa, sino que
se la energía contenida en el combustible debe
pasar por varias transformaciones antes de
convertirse en electricidad; este proceso se
resume en el siguiente esquema:
E. Química→ E. Térmica→ E. Mecánica→
E. Eléctrica
La celda de combustible transforma
directamente en electricidad la energía
contenida en un combustible, mediante un
proceso isotermo que aprovecha la entalpia
libre interna del combustible a temperatura de
operación.
E. Química→ E. Eléctrica
De este modo, no está afectada por las
limitaciones que imponen el segundo principio
de la termodinámica y el ciclo de Carnot.
Figura 1 Esquema general de funcionamiento de una
celda PEM. Se pueden observar los diferentes elementos
que intervienen en la reacción electroquímica, así como
los componentes básicos de la estructura (electrodos,
electrolito, placas bipolares y membranas difusoras).
(Vishnyakov, 2006)
Para el desarrollo experimental y la
fabricación de la MEA donde se busca probar el
modelo obtenido. El ensamble debe fabricarse
de tal forma que la estructura de las capas
permita a los gases llegar a los sitios reactivos,
así que se desea que la MEA cuente con alta
conductividad eléctrica, alta conductividad
iónica para los protones y fácil remoción del
agua líquida formada en la reacción catódica. El
Ensamblaje Membrana-electrodo o MEA
(Membrane Electrode Assembly) puede
considerarse el corazón de una PEM. La MEA
está típicamente entre las dos placas bipolares.
La MEA consta de la membrana de intercambio
protónico en su centro, las capas de catalizador
a cada lado y, en sus extremos, las GDL (Gas
Difussion Layers) las capas de difusión de gas.
Estos componentes se fabrican típicamente por
separado, y son compactados en una sola
unidad a altas presiones y temperaturas. El
resultado final tiene un espesor de menos de un
milímetro (KREUER., 2001).
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Fabricación del humidificador
Un humidificador tiene la función de mantener
constante la humedad relativa del combustible y
oxidante, muy importante en una celda de
combustible, se diseñó un modelo que se
pudiera construir y así realizar un prototipo que
nos ayude a elevar o disminuir la humedad
relativa de los gases utilizados en una celda de
combustible PEM, para ello fue necesario
utilizar Solid Works versión 2014 para realizar
diferentes diseños los cuales consisten en un
serpentín que nos ayuda a incrementar el
recorrido del gas, y en algunos casos también
cuenta con un depósito de agua que nos
pudiera permitir tener agua de ser necesario. El
proceso para la fabricación de nuestro sistema
se explica de manera general en el siguiente
diagrama de flujo.
Figura 2 Diagrama de flujo para la fabricación de
nuestro prototipo.
Fabricación del ensamble
El ensamble fue fabricado con Nafion 115, el
cual fue sumergido en peróxido de hidrógeno
(H2O2) al 5% durante 1 hora, posteriormente
enguagada en agua des-ionizada en ebullición
por 1 hora, la activación se realizó en ácido
sulfúrico 1 Molar durante 3 horas y nuevamente
enjugada en des-ionizada en ebullición por 30
minutos. La tela de carbón fue recortada a 3.1 x
3.1 cm, tratada con teflón GDLLT 1200-W y
secada en una mufla por 30 minutos a 100°C.
La tinta catalica fue elaborada con una
solución acuosa de nafión líquido 115 al 5%,
Platino-Vulcan a una razón de 0.5 mg/cm2 de Pt
y aplicado mediante la técnica de brushing.
Para el ensamble de la membrana electrodo se
realizó en una prensa con 2 Toneladas de
presión a una temperatura de 75 °C durante 5
minutos.
Resultados
La variación de humedad no dependió
directamente de la temperatura de las placas,
también fue función de la posición, a las cuales
se les llamo posición normal y posición
invertida como se muestra en la Figura 3.
Figura 3 Sistema de caracterización de celdas de
combustible con humidificador construido acoplado; a)
placas, b) celda de combustible, c) sensor de humedad y
temperatura, d) sistema de adquisición de datos y e)
Peltiers para absorción o adición de calor.
Los resultados del comportamiento de la
humedad relativa muestran que es posible la
estabilización de la humedad por lo cual el
combustible adicionado a la celda tipo PEM
estará bajo control. En la grafica 1 los primeros
9 minutos es el decremento de la humedad
relativa, aplicando 20V a la peltier y
absorbiendo calor, después tiende a
estabilizarse siempre y cuando la temperatura
no siga bajando, cuando la temperatura es
estable la humedad relativa también es estable.
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Grafico 1 Comportamiento de la HR con respecto a la
temperatura posición normal e invertida del serpentin.
Una vez que se tiene la humedad relativa
estable con la posición normal del serpentin,
determinamos el mejor flujo como se puede
observar en la siguiente grafica 2.
Grafico 2 Variación del flujo en la celda de combustible,
donde es la misma cantidad de flujo tanto para el
oxidante como para el combustible.
El mejor flujo desarrollado fue de 27.8
mL min-1
, debido a que logran mayores
potencias, sin embargo comparado con el flujo
de 34.8 mL min-1
, este es aun mejor pero es
poca la diferencia con el anterior optando por
descartarlo ya se despediciería tanto
combustible como oxidante.
Una vez que se determinó el flujo de
trabajo, se caracterizó la celda de combustible
para determinar la estequiometria óptima. En la
figura 8 se muestra el comportamiento dando
como resultado que la mejor combinación fue
de 27.8 mL min-1
para el oxidante y de 69.7 mL
min-1
para el combustible, de acuedo a la teória
esto debería ser una porporción del doble, el
resultado experimental muestra que la mejor
relación de no del doble si no de 2.5.
Grafico 3 Variación del flujo estequimetrico.
Una ves definida la estequiometria optima
se realizá la verificación de la hipótesis del
presente trabajo. La grafica 4 muestra que el
mejor comprtamiento se obtine con una
humedad del 50%. Al tener una humedad del
100% rápidamente se inundaran los canales de
agua impidiendo pricipalmente el flujo del
oxidante.
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MOLLER, José y OLIVARES-RAMÍREZ, Juan. Diseño y construcción de un
sistema de humidificación para un banco de celdas de combustible PEM. Revista
de Sistemas Experimentales 2016
Grafico 4 Determinación de la mezcla segun la mejor
configuración estequiometríca en la MEA
Agradecimiento
Este trabajo se pudo realizar gracias al apoyo de
PRODEP/103.5/13/10573 (JHGG)
Conclusiones
El contexto original de este trabajo fue el de
diseñar y desarrollar un sistema en el que
pudiéramos controlar la humedad y
temperaturas de los flujos en una celda de
combustible tipo PEM, para ello, se realizaron
los diseños para absorción o des absorción de
humedad quedando finalmente un canal
serpentín y un depósito para el agua dentro de
un rectángulo con un área de 74mmX190mm.
Los resultados de la simulación muestran que
se puede obtener gradientes de temperatura de
hasta 14.3 °C. El humidificador diseñado debe
de cambiar de posición y las Peltier podrán
absorber o des-absorber calor, dependiendo de
la humedad necesaria. La parte experimental
realizada muestra que podemos variar la
humedad relativa en nuestro sistema desde 50%
hasta 100%.
Tomando en cuenta los resultados
obtenidos de manera experimental, así como los
de las simulaciones realizadas para el diseño de
este prototipo, es posible realizar de manera
económica y eficiente, un sistema de control de
humedad y temperatura para la medición de
celdas de combustible tipo PEM, donde, en
comparación con la estación de pruebas,
podemos modificar nuestro sistema de manera
más sencilla dependiendo de nuestras
necesidades. Esto lo vuelve mucho más flexible
y educativo si se implementa en una institución.
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Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 84-90
ISSN-2410-3950
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Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 91-102
Propuesta de Diseño Aerodinámico para Reducción de Turbulencia en la Estela de
Rotación en Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT
MOLINERO, Daniel*†, LÓPEZ, Víctor y CERVANTES, Alberto.
Recibido Julio 5, 2016; Aceptado Septiembre 12, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
Se presenta una propuesta de diseño aerodinámico para la
reducción de turbulencia en la estela de rotación de
turbinas eólicas de eje horizontal. La propuesta surge del
análisis de diversas alternativas para la modificación de
los álabes de una turbina diseñada bajo la teoría BEM
(Teoría de Momento-Álabe). Se emplearon diversos
programas de cómputo para el diseño, modelado y
simulación de las diversas propuestas. Los resultados
experimentales de anemometría de hilo caliente en túnel
de viento utilizando un modelo fabricado con tecnología
de impresión 3D, son comparados con los obtenidos en
CFD (Dinámica de Fluidos por Computadora). Como
trabajo adicional, se integró un sistema de medición de
velocidad de viento para caracterización del túnel de
viento empleado. Pruebas adicionales para obtención de
líneas de corriente mediante un generador de humos y
medición de torque de arranque son también llevadas a
cabo. Los resultados experimentales y CFD presentan
buena concordancia, con lo cual se logró la validación de
la metodología empleada para el análisis. Como resultado
del análisis, se demostró que es posible lograr un diseño
con baja generación de turbulencia y una potencia de
salida aceptable.
Turbina, turbulencia, alabes, optimización,
simulación
Abstract
A proposal for aerodynamic design in order to reduce
turbulence in the wake of rotation horizontal axis wind
turbines is presented. The proposal arises from the
analysis of various alternatives for the modification of
turbine blades designed under the BEM theory (Blade-
Element Theory). Various computer programs for design,
modelling and simulation of various proposals were
employed. The experimental results of hot wire
anemometry in wind tunnel using a model made with 3D
printing technology are compared with those obtained in
CFD (Computer Fluid Dynamics). As additional work, a
measuring wind speed system for wind tunnel
characterization was integrated. Additional tests for
obtaining streamlines using a smoke generator and
starting torque measurement are also carried out.
Experimental and CFD results show good agreement,
thereby validation of the methodology used for the
analysis was achieved. As a result of the analysis, it was
shown that it is possible to achieve a design with low
generation of turbulence and an acceptable output power.
Turbine, turbulence, blades, optimization, simulation
Citación: MOLINERO, Daniel, LÓPEZ, Víctor y CERVANTES, Alberto. Propuesta de Diseño Aerodinámico para
Reducción de Turbulencia en la Estela de Rotación en Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT. Revista de Sistemas
Experimentales 2016, 3-8: 91-102
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Revista de Sistemas Experimentales 2016
Introducción
Dada la tendencia hacia el uso de fuentes de
energía renovable la (SENER, 2012) encontró
que entre 2006 y 2011 la capacidad de
producción global de energía eólica creció a un
ritmo de 27% anual. De acuerdo a lo presentado
por la consultora PWC para la Asociación
Mexicana de Energía Eólica, el potencial eólico
nacional se estimó en al menos 50,000 MW
considerando factores de planta de 20%.
(AMDEE, 2012).
El equipo empleado para la conversión de
energía de viento en energía eléctrica es la
turbina eólica, que en el caso de turbinas de eje
horizontal está compuesta por los álabes, hub y
el pedestal. Debido a diversos factores, la
eficiencia en turbinas eólicas se aleja del límite
teórico de eficiencia máxima. Uno de estos
factores es la turbulencia en la corriente de
viento generada en la zona inmediata posterior
a una turbina; una turbina en funcionamiento en
esta estela, o dentro de un parque eólico donde
los efectos de varias estelas pueden ser sentidos
simultáneamente, producirá menos energía y
sufrirá mayor carga estructural que una turbina
que funciona en la corriente libre (Burton,
Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001).
Diversos estudios se han realizado para la
optimización de los álabes con el fin de
aumentar el aprovechamiento del recurso eólico
hasta su límite teórico, entre ellos (Sharifi &
Nobari, 2013), (Liu, Wang, & Tang, 2013) y
(Singh & Ahmed, 2013), así como evaluar el
comportamiento de la estela de rotación, su
efecto en el desempeño de la turbina y la
turbulencia asociada a la estela de rotación,
como lo realizado por (Sicot, Devinant, Loyer,
& Hureau, 2008), (Crespo & Hernandez, 1996)
y (Bastankhah & Porté-Agel, 2014).
El presente trabajo está encaminado a
desarrollar un diseño aerodinámico que reduzca
la generación de turbulencia en turbinas eólicas
de eje horizontal de baja capacidad.
También se presenta la metodología llevada a
cabo para la validación de un modelo
computacional para análisis de la estela de
rotación.
Diseño Aerodinámico de Turbinas Eólicas de
Eje Horizontal – Teoría BEM
En el diseño aerodinámico de álabes de turbinas
eólicas de eje horizontal se emplea la teoría
BEM (Blade Element Momentum). Sin
embargo, de acuerdo a (Sørensen, 2011)
modelos numéricos más avanzados basados en
las ecuaciones promedio de Navier-Stokes
(RANS) se están aplicando ampliamente y
comienzan a complementar la teoría BEM, por
ejemplo, al analizar la estela de rotación o la
interacción entre las turbinas en parques
eólicos. El método BEM fue introducido por
(Glauert H. , 1953a) (Glauert H. , 1953b)
combinando la Teoría de Momento con la
Teoría de Elemento Alabe, para determinar las
cargas locales a lo largo de la envergadura del
álabe.
Figura 1 Anillo anular descrito por una sección del
elemento álabe. Fuente: (Burton, Sharpe, Jenkins, &
Bossanyi, 2001).
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El método supone que todas las secciones
a lo largo del rotor son independientes y pueden
ser tratadas por separado. Así, las fuerzas de
sustentación y arrastre a las que se somete cada
elemento son responsables de los cambios de
momento axial y angular del aire que pasa a
través del anillo que describe el álabe al girar
(Figura 1). Por lo tanto, en una sección radial
dada, una diferencia en la velocidad del viento
se genera desde corriente arriba hasta lo
profundo de la estela, creando una caída de
presión en la sección del alabe. (Burton,
Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001) y
(Manwell, McGowan, & Rogers, 2009).
La teoría BEM basa su análisis en un
triángulo de velocidades, donde los catetos
corresponden a la velocidad del viento U∞ y la
velocidad tangencial del álabe Ωr, mientras que
la hipotenusa se conoce como la velocidad
relativa W.
Así se tiene que:
(1)
Donde a y a’ son los factores de
inducción de flujo axial y radial
respectivamente y Ω la velocidad de rotación.
Figura 2 Triangulo de velocidades en una sección del
elemento álabe. Fuente: (Burton, Sharpe, Jenkins, &
Bossanyi, 2001).
En la Figura 2 se puede observar la
relación entre los ángulos de ataque α, de paso
β e incidencia ϕ con las velocidades y fuerzas
actuantes en una sección transversal del álabe.
De este modo se tiene que:
(2)
Finalmente, las ecuaciones de cambio de
momento axial y angular para diseño que se
utilizan en la teoría BEM son las siguientes:
2 (3)
(4)
Donde N es el número de alabes, c la
cuerda del alabe, Cl el coeficiente de
sustentación y Cd el coeficiente de arrastre. La
velocidad específica λ y la relación de radios μ
están definidas como:
(5)
(6)
La solución para obtener los factores
óptimos de inducción de flujo axial a y radial
a’, usando coeficientes de sustentación Cl y
arrastre Cd de perfiles aerodinámicos requiere
un proceso iterativo. En tal caso, las siguientes
ecuaciones son convenientes ya que, usando
valores previos de los factores de inducción de
flujo proporcionan nuevos valores para cada
iteración. (Burton, Sharpe, Jenkins, &
Bossanyi, 2001).
(7)
(8)
Donde la solidez de cuerda σr y los
coeficientes de fuerza axial Cx y tangencial Cy
están definidos como:
(9)
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(10)
(11)
De acuerdo a (Wilson & Lissaman, 1974)
el coeficiente de arrastre no debería ser incluido
en las ecuaciones anteriores. El argumento para
la exclusión del arrastre es que, el arrastre sólo
es causado por la fricción de pared y no afecta
la caída de presión a través del rotor. Por lo
tanto, se consideró la siguiente relación:
(12)
Donde a=1/3 es el valor óptimo para
alcanzar el máximo coeficiente de potencia (CP
= 0.59) conocido como límite de (Betz, 1919)
al resolver la diferencial de la expresión
siguiente:
(13)
Por lo tanto, el coeficiente de sustentación
puede ser elegido como aquel valor que
equivale a la máxima relación de sustentación-
arrastre (Cl/Cd) para el cálculo de la cuerda, ya
que esto minimizará pérdidas, de tal manera
que el coeficiente de arrastre es tan pequeño
que se puede omitir en la Ecuación 4 de cambio
de momento angular para dar como resultado:
(14)
Diseño y Modelado
Los perfiles aerodinámicos estándar más
empleados pertenecen a diversas familias como:
NACA, NREL, RISΦ, DU y FFA. Además,
existen también perfiles aerodinámicos
desarrollados a partir de los perfiles
convencionales antes mencionados.
El perfil seleccionado para llevar a cabo
el análisis fue el NACA 4412, ya que es un
perfil aerodinámico con buena relación
sustentación-arrastre incluso a altos ángulos de
ataque.
En ocasiones, no es posible obtener los
coeficientes de sustentación y arrastre para
todos los números de Reynolds y ángulos de
ataque a que se somete un perfil, en tales casos
se realizan interpolaciones. Por lo tanto, con el
fin de hacer más rápido el proceso de diseño se
empleó el software XFoil desarrollado por
(Drela, 1989). XFoil calcula mediante el
método de paneles y la función de corriente los
coeficientes de sustentación y arrastre en base
al perfil aerodinámico, ángulo de ataque y
números de Reynolds y Mach. Esto permite
seleccionar el ángulo de ataque óptimo a
emplear en la punta del álabe, estableciendo un
coeficiente de sustentación de diseño y en base
a esto realizar el diseño completo.
Para el diseño aerodinámico incluyendo
álabes y hub, se creó una rutina en base a la
Teoría BEM en MatLab, de la cual se obtiene la
geometría del álabe. Los resultados de esta
rutina fueron comparados con los obtenidos en
el software TIMEO desarrollado por (Álvarez
Cervera, Lesso Arroyo, & López Garza, 2005),
mostrando buena concordancia.
Una vez concluido el diseño
aerodinámico se realiza el modelado 3D en el
software Gambit. En el modelado se realiza
también el diseño del hub, que para este caso se
modelado a partir de la ecuación parabólica
presentada por (Wang, Bai, Fletcher,
Whiteford, & Cullen, 2008):
(15)
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Esta geometría de hub puede ser
remplazada por geometrías optimizadas, como
las presentadas por (Jiménez, Lopez, Solorio, &
Molinero, 2015), en futuros análisis.
Figura 3 Rotor de 25W con alabes curvados (10% de
Sweep).
La teoría BEM sólo contempla álabes
rectos en un eje normal al perfil aerodinámico,
donde se puede variar el ángulo de ataque y de
paso en función del ángulo de incidencia de la
velocidad relativa de viento. Por lo tanto, en la
rutina de diseño en MatLab se incluyeron
ecuaciones para generar álabes curvos en
distintas direcciones, de manera similar a lo
expuesto por (Gertz, Johnson, & Swytink-
Binnema, 2014), (Larwood, Dam, & Schow,
2014) y (Chattot, 2009), como se muestra en la
Figura 3.
En total se propusieron 18 rotores, los
cuales se dividen en dos grupos: rotores con
ángulo de ataque variable (VA) y rotores con
ángulo de ataque fijo (FA). Dentro de cada
grupo existen cuatro grupos: 1) rotores con
“sweep” (positivo en contra del sentido de
rotación YSPOS y negativo en sentido opuesto
YSNEG), 2) rotores con “dihedral” (positivo en
la dirección del viento YDPOS y negativo en
contra de la dirección de viento YDNEG), 3)
rotores con combinación de “sweep” y
“dihedral” (con variantes positivas y negativas)
y 4) rotores sin “sweep” y/o “dihedral” (NS-
ND).
El sweep se realizó curvando los álabes
10% del valor del radio, la curvatura es con
respecto al eje del álabe en el plano que
contiene al rotor. La longitud curvada del álabe
fue 40% del radio, medido desde la punta hacia
la raíz del álabe empleando un exponente de 2.
(Larwood, Dam, & Schow, 2014).
(16)
El Dihedral se realizó curvando los álabes
10% del valor del radio. En este caso la
curvatura se realiza con respecto al eje del álabe
en el plano paralelo a la dirección del viento. El
porcentaje del álabe curvado es del 100% y el
exponente empleado fue de 2. (Chattot, 2009).
(17)
Una opción más para modificación de
álabes de turbinas eólicas consiste en linearizar
la relación cuerda-radio, lo cual reduce la
cuerda en la raíz del álabe. (Manwell,
McGowan, & Rogers, 2009) y (Liu, Wang, &
Tang, 2013). Sin embargo, en un estudio previo
(Molinero Hernández, Garza López, Jiménez
Ramírez, López Zermeño, & Cadenas
Calderón, 2015) mostraron que al aplicar esta
técnica, tanto la potencia de salida como el
torque de arranque de la turbina disminuyen.
Simulación
Para el proceso de mallado el dominio se
dividió en dos marcos de referencia, uno fijo
con forma cubica y otro rotatorio de forma
cilíndrica dentro del que se incluye el rotor.
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Se realizaron simulaciones empleando los
modelos de turbulencia k-ε standar para el rotor
estático y k-w SST para el rotor en movimiento,
ya que estos modelos dan buenas
aproximaciones al fenómeno real, como han
mostrado (Kasmi & Masson, 2008), (Abdel
Salam & Ramalingam, 2014), (Rocha, Rocha,
Carneiro, Silva, & Bueno, 2014) y (Lanzafame,
Mauro, & Messina, 2013)
Figura 4 Rotor de 25 W fabricado en plástico ABS
empleando tecnología de impresión 3D.
Fabricación y Pruebas
Con el fin de validar los resultados de CFD y
dar certidumbre a los datos que se obtuvieron,
se realizaron pruebas en túnel de viento con un
rotor de 0.57 m de diámetro fabricado con
plástico ABS en una impresora 3D (Figura 4),
capaz de generar 25 Watts considerando un
coeficiente de potencia ideal de 0.59, una
velocidad de viento de 6.5 m/s y una velocidad
específica de 5.
Previo a la realización de pruebas con
equipo de anemometría de hilo caliente, se
realizó la caracterización del túnel de viento.
Con este propósito se ensambló un sistema
empleando una tarjeta de adquisición de datos
National Instruments, un tubo Pitot de punta
elipsoidal y cuatro sensores para medir presión
diferencial, presión atmosférica, temperatura y
humedad relativa.
La conexión entre PC y tarjeta de
adquisición de datos se realiza mediante
LabView. Los datos obtenidos utilizando este
equipo y un anemómetro de paletas fueron
comparados. Entre ambos métodos existe una
discrepancia de 3%.
Una vez concluida la caracterización del
túnel, se midió el torque generado por el rotor
usando un torquímetro. Debido a que la sonda
del torquimetro no permite la rotación,
únicamente se midió el torque de arranque.
Como resultado se obtuvo una variación de 3%
entre el valor medido y el valor obtenido en
CFD.
También se realizaron tomas con cámara
de alta velocidad para captura de líneas de
corriente en la zona cercana a la punta de los
álabes utilizando un generador de humo.
Debido a las características del mismo
únicamente se hicieron tomas del rotor estático,
donde se observa buena concordancia entre las
imágenes de CFD y de cámara de alta velocidad
(Figura 5).
Figura 5 Líneas de corriente a) Experimento (izquierda)
y b) CFD (derecha).
Finalmente, se realizaron las mediciones
de velocidad instantánea e intensidad de
turbulencia en la estela empleando equipo de
anemometría de hilo caliente.
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El equipo puede medir la velocidad
instantánea con una probeta unidireccional por
la cual circula una corriente eléctrica, el
enfriamiento debido a una corriente de viento
genera variaciones en el voltaje de
alimentación, con lo cual se puede conocer la
velocidad de viento. (Jørgensen, 2002). Las
lecturas fueron tomadas en un plano
perpendicular a la dirección del flujo de aire.
Solo se realizaron lecturas parte superior de la
sección de pruebas, ya que en la parte inferior
se encontraba el soporte del rotor y se
obtendrían lecturas con un alto nivel de
interferencia.
Las lecturas de intensidad de turbulencia
con el rotor estático mediante anemometría de
hilo caliente y los resultados obtenidos en CFD
presentaron buena concordancia como se
muestra en la Figura 6.
Todas las pruebas se realizaron manteniendo el
rotor frente una corriente de viento de 6.5 m/s.
Figura 6 Intensidad de turbulencia en la región central de
los alabes. CFD (línea continua) vs Anemómetro de hilo
caliente (línea punteada).
Análisis de Resultados
Una vez validado el modelo CFD para el rotor
estático se compararon rotores con las mismas
características de sweep y dihedral. Se observó
que, los rotores con ángulo de ataque fijo
generan mayor torque de arranque (73.8% -
103.3%) y mayor potencia de salida (1.6% -
7.1%) que aquellos con ángulo de ataque
variable. Por otro lado, los rotores con ángulo
de ataque fijo generan entre 4.49% y 22.31%
más intensidad de turbulencia para el rotor
estático, y entre 0.26% y 3.03% más para el
rotor en movimiento, a excepción del rotor
YSPOS-YDNEG-FA, con el cual la intensidad
de turbulencia disminuyo 0.39%.
La Grafica 1 muestra que el máximo
valor de intensidad de turbulencia con el rotor
estático (0.058057) es producido por el modelo
NS-YDNEG-FA, mientras que el valor minino
(0.047296) es producido por el modelo
YSNEG-YDNEG-VA. Así mismo, el mayor
torque de arranque (0.04427 N-m) es producido
por el rotor YSPOS-YDNEG-FA, y el menor
(0.01890 N-m) es producido por el rotor
YSPOS-YDPOS-VA según la Grafica 2.
Grafico 1 Intensidad de turbulencia en estela. Resultados
de CFD con rotor estático.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
-0,28 -0,21 -0,14 -0,07 0 0,07 0,14 0,21 0,28
X [m]
Intensidad de Turbulencia
0,046500
0,048500
0,050500
0,052500
0,054500
0,056500
0,058500
Intensidad de Turbulencia
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Grafico 2 Torque de arranque. Resultados de CFD con
rotor estático.
La Grafica 3 muestra que la mayor
intensidad de turbulencia con el rotor en
movimiento (0.053896) se genera con el
modelo YSPOS-YDPOS-FA, en contraparte la
mínima (0.051687) se produce con el modelo
NS-ND-VA. Respecto a la potencia generada,
en la Grafica 4 se puede observar que el rotor
con la mayor potencia de salida (25.18 W) es el
YSPOS-YDPOS-FA, lo cual es más de lo
esperado según la Teoría BEM. Los rotores con
la menor potencia de salida (22.57 W) fueron
los modelos YSNEG-YDNEG-VA y NS-
YDNEG-VA.
Estos resultados están de acuerdo a lo
presentado por (Chattot, 2009), donde indica
que el sweep y el dihedral positivos
incrementan la potencia de salida.
Grafico 3 Intensidad de turbulencia en estela. Resultados
de CFD con rotor en movimiento.
Grafico 4 Potencia. Resultados de CFD con rotor en
movimiento.
Figura 7 Líneas de corriente coloreadas por magnitud de
velocidad en el Rotor NS-ND-VA con la menor
intensidad de turbulencia 0.051687. Potencia de salida
23.44 W.
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
Torque (N-m)
0,051
0,0515
0,052
0,0525
0,053
0,0535
0,054
Intensidad de Turbulencia
21,00 21,50 22,00 22,50 23,00 23,50 24,00 24,50 25,00 25,50
Potencia (W)
99
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Figura 8 Vorticidad generada por el Rotor NS-ND-VA
con la menor intensidad de turbulencia 0.051687.
Potencia de salida 23.44 W.
Figura 9 Líneas de corriente coloreadas por magnitud de
velocidad en el Rotor YSPOS-YDPOS-FA con la mayor
intensidad de turbulencia 0.053896. Potencia de salida
25.18 W.
Figura 10 Vorticidad generada por el Rotor YSPOS-
YDPOS-FA con la mayor intensidad de turbulencia
0.053896. Potencia de salida 25.18 W.
En las Figuras 7,8,9 y 10 se muestra
mediante líneas de corrientes y zonas de
vorticidad el comportamiento de los rotores que
generan la menor y mayor intensidad de
turbulencia al generar potencia de salida.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su agradecimiento
a la Coordinación de Investigación Científica
de la Universidad Michoacana de San Nicolás
de Hidalgo (CIC) y al Consejo Nacional de
Ciencia y Tecnología (CONACyT), así como a
la Facultad de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Michoacana de San Nicolás de
Hidalgo por su apoyo para el desarrollo de este
proyecto.
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Conclusiones
Se empleó equipo de anemometría de hilo
caliente para obtener datos de velocidad de
instantánea e intensidad de turbulencia en la
estela detrás del rotor de una turbina de viento
de eje horizontal de baja capacidad, los datos
experimentales para el rotor estático presentan
buena concordancia con los datos de CFD, lo
cual sumado con las resultados de medición de
torque da certidumbre en el procedimiento
ejecutado para el diseño, modelado, simulación,
fabricación y experimentación. En futuros
trabajos es recomendable llevar a cabo un
análisis estadístico de los datos experimentales
obtenidos en cada uno de los puntos de
medición, lo cual dará información acerca de la
simetría estadística y la amplitud de
distribución (factor de planicidad) del flujo. En
el caso del rotor en movimiento, se deben
realizar pruebas aun adicionales con probetas
de hilo caliente de dos y tres direcciones con el
propósito de incrementar la certidumbre en los
datos obtenidos en CFD, esto último en
conjunto con un análisis estadístico
proporcionara información más detallada del
flujo relacionada con los esfuerzos cortantes de
Reynolds (momentos cruzados) y cantidades de
transporte lateral (momentos cruzados de orden
superior).
La propuesta de diseño que cumple con la
menor generación de turbulencia, tanto en
modo estático como en movimiento, fue el
modelo NS-ND-VA. Aunque no fue la
propuesta con la mayor potencia de salida, la
cual fue el modelo YSPOS-YDPOS-FA, su
potencia de salida es mayor a otras propuestas
que presentan incluso mayor intensidad de
turbulencia en la estela. Con estos resultados se
puede comprobar que es posible mediante la
modificación de la geometría de los álabes
reducir la turbulencia en la estela de rotación,
logrando un incremento en la eficiencia del
aerogenerador y reducción de la estela de
rotación afectada por la turbulencia.
Ya que en todos los modelos los alabes
fueron curvados únicamente el 10% de la
longitud del radio, es recomendable realizar
análisis con distintos porcentajes de curvatura y
el impacto que esto tendría en la estructura del
alabe debido a la variación en las cargar
resultantes debido a la interacción con el fluido.
A futuro la metodología seguida en este trabajo
puede ser también empleada el diseño de
nuevos perfiles aerodinámicos y el estudio de
diferentes geometrías de puntas para los álabes,
entre ellos los “winglets”.
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Aplicación de la energía solar mediante sistema termosolar y sistema solar
fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en función de
utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0 horas solar pico
BARRAGÁN-BUENO, Miguel*†.
Recibido Julio 13, 2016; Aceptado Septiembre 1, 2016
___________________________________________________________________________________ Resumen
La ingesta de agua para las personas es de 2.0 litros
promedio diario, este vital líquido, debe estar purificado
o al menos hervido. Considerando que en nuestro país
existen comunidades que se encuentran muy alejadas,
donde no cuentan con el suministro de energía eléctrica
ni de gas LP, para el proceso de cocción de alimentos o
en este caso para hervir agua para consumo, estas
razones, nos permiten apegarnos a los Objetivos del
Desarrollo del Milenio, elaborados por el Programa de
las Naciones Unidas para el Desarrollo, que consiste en
eliminar la pobreza y la desigualdad, es necesario dotar a
todas estas comunidades marginadas en el mundo de
acceso a los servicios modernos de energía. Una parte
importante para atender estas irregularidades en estas
comunidades marginadas, corresponde a que al menos
pudiesen contar con agua purificada para su ingesta,
además de contar con un recurso energético gratuito,
como es la aplicación de las energías renovables, en
especial, el uso de la energía solar, mediante el diseño de
un sistema solar fotovoltaico o de un colector solar o
calentador solar, capaces de poder purificar el agua,
mediante el proceso de hervido o ebullición de agua. Las
consideraciones para el diseño de estos modelos, fueron
utilizar un recurso solar de al menos 3.0 horas solar pico
(HSP), aún y sabiendo que el estándar nacional es de 5.0
HSP. Con esto, lograr el objetivo de poder purificar hasta
200 litros por día de agua, mediante el proceso de
hervido, utilizando la Energía Solar.
Energías Renovables, Energía Solar, Recurso Solar,
Colector Solar, Sistema Solar Fotovoltaico, Hora
Solar Pico
Abstract
The intake of water for the people is of 2.0 litres average
daily, this vital liquid, must be purified or at least boiled.
Considering that in our country there are communities
that are too far away, where they do not have the supply
of electric power or LP gas, for cooking of food or in this
case to boil drinking water, these reasons, allow us to
adhere to the the development of the Millennium,
prepared by the United Nations development programme
which consists of eliminating poverty and inequality, it is
necessary to provide all these marginalized communities
in the world of access to modern energy services. An
important part to address irregularities in these
marginalized communities, corresponds to that it could at
least count on purified water for your intake, in addition
to a free energy resource, as it is the application of
renewable energy sources, in particular, the use of solar
energy, through the design of a photovoltaic solar system
or solar heating or solar collector , capable of to be able
to purify the water, through the process of boiled or
boiling of water. The considerations for the design of
these models, were using a resource solar of at least 3.0
hours solar peak (HSP), still and knowing that the
standard national is of 5.0 HSP. The goal of can purify up
to 200 litres per day of water through the brewing
process, using Solar energy with this.
Renovable energies, Solar energy, solar resources,
Solar system
Citación: BARRAGÁN-BUENO, Miguel. Aplicación de la energía solar mediante sistema termosolar y sistema solar
fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en función de utilizar un recurso solar promedio de al
menos 3.0 horas solar pico. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 103-110
*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])
†Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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termosolar y sistema solar fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para
uso humano, en función de utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0
horas solar pico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Introducción
La ingesta de agua para las personas es de
aproximadamente de 2.0 litros promedio diario,
pero debemos saber que este líquido vital, debe
estar purificado o al menos hervido, para que no
se generé algún problema de salud en las
personas que lo ingieren. Ahora si
consideramos que en nuestro país existen
comunidades que se encuentran muy alejadas,
donde ni cuentan con el suministro de energía
eléctrica ni de gas LP para el proceso de
cocción de alimentos o en este caso para hervir
agua para consumo, toda vez que a pesar del
gran avance tecnológico y económico que la
humanidad ha experimentado durante el siglo
XX. Esta falta de acceso a los servicios
energéticos modernos, no solo cancela sus
posibilidades de escapar de la pobreza, sino que
impide el acceso a otros servicios esenciales
como salud y educación. Para alcanzar los
Objetivos de Desarrollo del Milenio, elaborados
por el Programa de las Naciones Unidas para el
Desarrollo, de eliminar la pobreza y la
desigualdad, es necesario dotar a todas las
comunidades marginadas en el mundo de
acceso a los servicios modernos de energía. No
es posible disponer de agua potable de calidad,
sin un bombeo adecuado o de los combustibles
para el proceso en esencia del purificado del
agua. En general, las actividades productivas
generadoras de ingreso requieren agua y
energía limpias, por lo que dotar de estos bienes
a las comunidades marginadas es uno de los
grandes desafíos que enfrenta la humanidad.
México, aunque cuenta con una cobertura de
electrificación estimada en cerca del 97 %,
existen todavía más de 3 millones de personas
sin acceso a la red eléctrica, las cuales están
ubicadas en alrededor de 70 000 localidades,
principalmente en zonas rurales y marginadas.
En general, carecen de los servicios
básicos de agua potable, acceso a la energía,
infraestructura para recolección, tratamiento y
disposición de residuos sólidos y líquidos, así
como pobreza alimentaria y de vivienda. Son
comunidades pequeñas que se encuentran
ubicadas en lugares remotos para los que la
instalación de la red eléctrica resulta
extremadamente costoso o del suministro de
gas LP, por lo cual no se les otorga de este
servicio.
Una parte importante para atender a estas
irregularidades, correspondientes en estas
zonas o comunidades marginadas, corresponde
a que al menos pudiesen contar con agua
purificada para su ingesta y con esto disminuir
al menos gran parte de los problemas de salud
que les aquejan, además de contar con un
recurso energético gratuito como es con la
aplicación de las energías Renovables, en
especial el uso de la energía solar en favor de
las mismas, todo esto, mediante los diseños de
algunos Sistemas Solares Fotovoltaicos o de un
colectores solares (calentadores solar), capaces
de poder purificar el agua de uso diario,
mediante el proceso de hervido o ebullición de
agua. Es decir, mediante la aplicación de la
Energía Solar, la cual no nos cuesta, podamos
enfocarla exclusivamente para este fin,
mediante la aplicación de modelos de
colectores solares o calentadores solares y
también, mediante el uso de sistemas
fotovoltaicos. Las consideraciones para el
diseño de estos modelos, con la consideración
de utilizar un recurso solar promedio de al
menos 3.0 horas solar pico (HSP), aún y
sabiendo que el estándar nacional del recurso
solar es de 5.0 HSP, es decir, para el diseño de
estos sistemas, tanto termo solares como
fotovoltaicos, solo se considera un recurso solar
del 60 por ciento, del establecido como
promedio en nuestro país.
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uso humano, en función de utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0
horas solar pico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Con estas consideraciones, se puedan
logran los objetivos de poder purificar ya sea
desde 150 litros al día por un sistema termo
solar o hasta 200 litros por día de agua
purificada por el empleo de un sistema solar
fotovoltaico.
Estos prototipos pueden utilizarse en
cualquier comunidad del país, recordando que
México cuenta con un Recurso Solar muy
bueno, considerado de hasta 5.0 HSP, recordar
que el diseño propuesto se basó en un Recurso
Solar de solo 3.0 HSP, lo que es mejor, puede
contribuir con el desarrollo sustentable de las
mismas comunidades, además de que el agua
calentada estará libre de organismos que
pueden dañar la salud de las personas, no
contaminan, puesto que no se genera ni un solo
gramo de CO2, por el calentamiento del agua
mediante el uso de estos prototipos (colector
solar y sistema solar fotovoltaico), esto
contribuye considerablemente con el medio
ambiente y por supuesto contra el cambio
climático que cada vez genera más estragos en
las poblaciones.
Cálculos y diseño del colector o calentador
solar
Para el diseño y dimensionamiento del colector
solar, el cual se basa principalmente para
calentar agua hasta temperaturas por encima del
grado de ebullición del agua, es decir, teniendo
la consideración que corresponde a la
temperatura final del agua sometida a este
proceso de 110 oC, partiendo de utilizar una
temperatura ambiente del agua de 15 oC, así
como, el volumen de 150 litros por día y la
parte esencial de utilizar solamente para este
diseño, un recurso solar de 3.0 horas solares
pico, equivalentes a 10.8 MJ/m2, para lo que
podemos decir que, el diseño propuesto está
establecido, mediante los siguientes cálculos
realizados, partiendo inicialmente de los datos
técnicos que a continuación se mencionan:
Datos técnicos del diseño:
- Volumen de agua a calentar 150 litros.
- Temperatura ambiente del agua 15 oC.
- Temperatura final o requerida del
agua110 oC.
- Calor específico del agua 4.1868 kJ/kg oC.
- Densidad del agua 1.0 kg / l.
- Recurso Solar considerado para diseño
3.0 HSP =10.8 MJ/m2.
- Considerando que 1.0 HSP = 3.6 MJ
- Superficie que se espera obtener del
colector solar del diseño 6.0 m2.
- Aportación energética de 1 kg de gas
LP= 48 MJ. En la figu ra 1.
Figura 1 Diseño de Colector Solar de 1.5 m
2.
Solución del problema:
1.- Determinación de la Cantidad de
Energía Requerida para calentar el volumen
establecido a la temperatura establecida.
Para la determinación de este parámetro,
utilizaremos la siguiente ecuación:
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Qreq = V.δ.q.ΔT (1)
Donde:
Qreq corresponde a la cantidad de energía
requerida para calentar el fluido a la
temperatura requerida.
V corresponde al volumen de agua que se
pretende calentar.
δ corresponde a la densidad del fluido, en este
caso, es la densidad del agua.
q corresponde al calor especifico del fluido, en
nuestro caso corresponde al agua
ΔT corresponde a la diferencia de temperatura,
entre la temperatura requerida del fluido y la
temperatura del fluido a temperatura ambiente.
Es decir: ΔT = Treq - Tamb
Ahora, al sustituir los valores de las
variables en la ec. 1, tendremos lo siguiente:
Qreq = (150 l).(1.0 kg/l).(4.1868
kJ/kgºC).(110ºC – 15ºC)
Qreq = 59,661.9 kJ = 59.66 MJ
Es decir, requerimos de 59.66 Mega
Joules de Energía, para poder calentar los 150
litros de agua a la temperatura de 110 ºC.
El siguiente paso, corresponde al
dimensionamiento del colector solar, el cual se
determinara con la siguiente ecuación:
Acol = Qreq / R.S. (2)
Donde
Acol corresponde al área o superficie del
colector solar.
Qreq corresponde a la cantidad de energía
requerida para calentar el fluido a la
temperatura requerida.
R.S. corresponde al recurso solar de la
localidad, en nuestro caso, se determinó utilizar
solamente un recurso solar de 3.0 HSP = 10.8
MJ/m2.
Sustituyendo los valores en la Ecuación 2,
obtenemos lo siguiente:
Acol = (59.66 MJ) / (10.8 MJ/m2)
Acol = 5.52 m2
Es decir, necesitamos un colector solar
con una superficie de captación de 5.52 metros
cuadrados, aproximándolo a los 6.0 metros
cuadrados, esto con fines de establecer unidades
enteras. El esquema general del diseño de un
colector solar casero se muestra en la Figura 2.
Funcionamiento del colector solar:
A- Entrada de Agua fría suministrada del
Tinaco hacia el Colector solar.
B- Tanque de Almacenamiento.
C- Colector de Agua Solar Casero
orientado hacia el Sur con una
inclinación que puede variar desde los
15 hasta los 30º.
D- Aprovechamiento de la Radiación Solar
Gratuita, para calentar agua.
E- Usuario final. Para nuestro caso consiste
en purificación del agua.
F- Agua a temperatura alta dentro del
Tanque, lista para su uso final.
G- Agua a temperatura baja (Temperatura
ambiente del agua).
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Figura 2 Esquema del funcionamiento de un calentador
solar convencional
Consideraciones y datos del diseño
propuesto
El sistema del colector solar propuesto esta
integrado por, un colector solar, un recipiente
de agua fría o tinaco de volumen variable,
situado al menos a 1.5 metros de altura con
respecto de la entrada de agua al colector, en
este caso se ejemplifica con un garrafón de 20
litros en color azul, el colector solar, el cual está
integrado por un bastidor metálico rectangular
que contiene en su interior una tubería de cobre
en T pintada en color negro mate, la cual recibe
por la parte superior la radiación solar que
atraviesa el vidrio, calentando así la tubería y
esta a su vez, transfiere al agua fría, este
prototipo también se auxilió de espejos,
colocados en un ángulo de 45º para calentar la
tubería, por los costados y la parte inferior de
esta, con esto logramos incrementar el área de
calentamiento en los tubos, para que así, se
pueda incrementar la eficiencia del colector, por
último, ya que el agua recibió la trasferencia de
calor de los tubos, por un efecto convectivo en
los fluidos, es decir, el agua caliente al ser
menos densa que el agua fría, circula hacia la
parte superior del Colector Solar, en donde, se
encuentra la salida de la misma y con una
temperatura muy superior a la de la entrada, se
puede decir, que la temperatura de salida del
agua, no es adecuada para exponerse a tomar un
baño directamente pero si para cocinar
alimentos, esto se comprobó mediante la
preparación de una sopa instantánea.
La tercera etapa llamada Tanque de
Almacenamiento se compone de un recipiente
que recibe el agua caliente y la almacena hasta
su posterior uso. El volumen del tanque
depende de la cantidad de agua requerida
diariamente, este tanque se encuentra aislado
respecto del exterior mediante un material
aislante o de baja conductividad térmica, ya sea
aire o fibras especiales al alcance de todos, en
donde puede permanecer a una temperatura en
equilibrio térmico durante un tiempo
considerable mientras no exista transferencia de
calor entre el Tanque de Almacenamiento y el
Colector solar. Para ello se auxilia del
aislamiento de las tuberías de los muebles
hidráulicos desde el tanque hasta su destino
final.
Cálculos y diseño del sistema Solar
Fotovoltaico (aislado de la red)
Para el diseño y dimensionamiento del Sistema
Solar Fotovoltaico, con el cual se generará la
energía eléctrica necesaria para usarse en el uso
de la resistencia eléctrica, es decir, por cada
sesión de hervido de agua en la cual la
resistencia recomendada se puede utilizar para
hervir hasta 20 litros, durante un tiempo
aproximado de 12 minutos por sesión, esta tiene
un consumo de 500 Wh, además de considerar
que diariamente podamos hervir hasta 200
litros, tendríamos un uso de 10 sesiones, o el
equivalente a dos hora de uso, para cubrir esta
demanda de energía eléctrica, equivalente a los
1000 Wh, y la parte esencial de utilizar
solamente un recurso solar de 3.0 HSP,
equivalentes a 3.0 kWh/m2, para lo que
podemos decir que, el diseño propuesto está
establecido, mediante los siguientes cálculos
realizados, partiendo inicialmente de los datos
técnicos que a continuación se mencionan:
Datos técnicos del diseño:
- Carga total requerida por el uso diario
de la resistencia eléctrica 1000 Wh.
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- Carga requerida por resistencia 500 Wh.
- Uso diario de resistencia 2 horas.
- Carga requerida por sesión de hervido
de 20 litros de agua es de 100 Wh.
- Cantidad de agua por sesión de uso de
resistencia, 20 litros.
- Duración aproximada en hervir agua
con resistencia, 12 minutos.
- Recurso Solar considerado para diseño
3.0 HSP = 3.0 kWh/m2 por día.
- Considerando que 1.0 HSP = 1.0
kWh/m2
- Potencia pico de los módulos a utilizar,
esta deberá ser en función de los que
encontremos en el mercado y de
acuerdo a la potencia pico de los
mismos, para este caso se consideran
módulos de 200 Wp.
- Controlador de carga 12/24 V, potencia
máxima de entrada de 500W.
- Características de la batería a utilizar
115Ah, 12 V.
- Potencia acumulada en baterías al 100
%, 1380 Wh.
En el siguiente esquema observamos de
forma general, el Sistema Solar Fotovoltaico
aislado de la Red, en cual se muestran los
elementos principales del SSFV, como son, los
módulos fotovoltaicos, el controlador de carga,
las baterías, y el inversor. En la figu ra 1.
Figura 3 Esquema de un Sistema Solar Fotovoltaico
aislado de la red.
Solución del problema:
1.- Determinación de la demanda de
energía eléctrica diaria para el hervido de agua,
utilizando resistencia eléctrica de 500 Wh, por
sesión aproximada de 12 minutos, con la cual
calentaremos un volumen de agua de 20 litros
hasta su punto de ebullición.
1 – Tenemos que para lo anterior
requerimos de 100 Wh, para cubrir la demanda
energética de hervir 20 litros de agua, en un
tiempo aproximado de 12 minutos.
2- Calculo del sistema SSFV, mediante el
uso de 3.0 HSP.
SSFV= PT / R. S. (3)
Donde:
SSFV corresponde a la potencia pico del
sistema solar fotovoltaico (Wp o kWp).
PT es la Potencia Eléctrica total o energía
eléctrica total (Wh/día o kWh/día).
R.S. es el Recurso Solar, utilizado para el
dimensionamiento. Por lo regular debe
corresponder al Recurso Solar promedio de la
localidad donde será instalado el SSFV
(HSP/día ó kWh/m2 / día).
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Artículo Revista de Sistemas Experimentales
Septiembre 2016 Vol.3 No.8 103-110
ISSN-2410-3950
ECORFAN® Todos los derechos reservados BARRAGÁN-BUENO, Miguel. Aplicación de la energía solar mediante sistema
termosolar y sistema solar fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para
uso humano, en función de utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0
horas solar pico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
Sustituyendo los valores en la Ec. 3
obtenemos, el dimensionamiento del SSFV:
SSFV = (1000 Wh/día) / (3.0 HSP/día)
SSFV = 333.33 Wp
Determinación de número de módulos
FV:
No. Mod. = SSFV / Ppmod (4)
No. Mod. Corresponde a la cantidad de
módulos FV requeridos para cubrir la potencia
pico requerida por el SSFV.
SSFV corresponde a la potencia pico del
sistema solar fotovoltaico (Wp o kWp).
Ppmod corresponde a la potencia pico del
módulo (Wp).
Sustituyendo los valores en la Ec. 4, se
obtiene:
No. Mod. = (333.33 Wp) / (200.0 Wp)
No. Mod. = 1.667
La cantidad de 1.667 módulos no la
podemos utilizar para el dimensionamiento del
SSFV, por la razón de que no podemos utilizar
una fracción de un módulo, sin embargo, este
valor lo acercamos al valor de 2 módulos FV,
por lo tanto, el sistema solar fotovoltaico estará
dimensionado en 400 Wp (sabiendo que
utilizaremos módulos de 200 Wp), con este
valor, así como con el Recurso Solar
considerado de 3.0 HSP, se pretende que por
día el SSFV, generé una potencia total de 1,200
Wh o 1.2 kWh al día.
Agradecimiento
Agradecimiento a las Autoridades de la
Universidad Tecnológica de Morelia, por
haberme otorgado los recursos para poder
participar en este Evento.
Conclusiones
Se puede decir que, de los resultados obtenidos,
mediante la realización de los cálculos
anteriores podremos tener la oportunidad de
diseñar, un colector o calentador de agua solar,
el cual deberá de tener al menos una superficie
de 6 m2, con el cual garantizar la purificación
150 litros de agua, para consumo humano.
Debemos tener en cuenta, que para este
volumen de agua hervido, estaríamos
consumiendo un aproximado de hasta 1.37
kilogramos de gas LP. Se tienen en cuenta
varios puntos estratégicos que se pueden
atender y se explican a continuación.
El Beneficio Directo: El usuario contará
con el suministro de agua hervida, es decir,
agua con las condiciones de poder ser ingerida,
sin el riesgo de contraer alguna enfermedad
intestinal por el consumo de agua sin hervir.
Además, hará uso directo de la aplicación de las
energías renovables, tendrá posibilidad de tener
un desarrollo sostenible, participar de forma
directa en la conservación del medio ambiente y
contra el cambio climático.
La Calidad: El diseño de los sistemas se
establecen bajo los parámetros de un recurso
solar de solo 3.0 HSP, recordemos que en
México, el recurso solar promedio es de 5.0
HSP, es decir, el diseño del colector se
estableció en condiciones de que contemos
solamente con el 60 % del recurso solar
promedio nacional. Garantizando conseguir el
objetivo de este proyecto.
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Septiembre 2016 Vol.3 No.8 103-110
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termosolar y sistema solar fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para
uso humano, en función de utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0
horas solar pico. Revista de Sistemas Experimentales 2016
La Viabilidad: Esta radica en la fácil
construcción de los prototipos, ya que se
emplean para su elaboración con materiales
diversos, pero que son disponibles en cualquier
lugar, no son tóxicos, son de fácil y poco
mantenimiento, duraderos y maniobrables.
El Producto final: Contar con prototipos
que puedan solventar las necesidades de agua
hervida para ingesta humana, suficiente como
cubrir la demanda de comunidades pequeñas y
marginadas.
El Potencial: Estos prototipos pueden
utilizarse en cualquier comunidad del país,
recordando que México cuenta con un Recurso
Solar muy bueno, considerado de hasta 5.0
HSP, recordar que el diseño propuesto se basó
en un Recurso Solar de solo 3.0 HSP, lo que es
mejor, puede contribuir con el desarrollo
sustentable de las mismas comunidades,
además de que el agua calentada estará libre de
organismos que pueden dañar la salud de las
personas, no contaminan, puesto que no se
genera ni un solo gramo de CO2, por el
calentamiento del agua mediante el uso de estos
prototipos (colector solar y sistema solar
fotovoltaico), esto contribuye de forma
considerable con el medio ambiente y por
supuesto contra el cambio climático que cada
vez genera más estragos en las poblaciones.
Cabe mencionar que estos prototipos están con
la posibilidad de ser mejorados, en cuanto a
diseño y elementos que los integran. Puesto que
se presentan marcas o modelos determinados.
Referencias
Termodinámica, 6ta edición, Yunus A Sengel
& Michael A. Boles.
Procesos termosolares, en baja, media y alta
temperatura, Pedro Fernández Díez, libros
redsausce.net
Irradiación en Morelia, Mich. Recurso
disponible para poder integra Sist. FV, Miguel
Barragán Bueno, Editorial Académica
Española.
Comunidades marginadas Centro Mario Molina
http://centromariomolina.org/wpcontent/upload
s/2014/01/REBID_Comunidades-Marginadas
http://siteresources.worldbank.org/INTMEXIC
O/Resources/La_Pobreza_Rural_en_Mexico
Instrucciones para Autores
[Titulo en Times New Roman y Negritas No.14]
Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en Mayusculas -2do Nombre de Autor Correo institucional en Times New Roman No.10 y Cursiva
(Indicar Fecha de Envio:Mes,Dia, Año); Aceptado(Indicar Fecha de Aceptación: Uso Exclusivo de ECORFAN)
___________________________________________________________________________________________________
Resumen
Titulo
Objetivos, metodología
Contribución
(150-200 palabras)
Indicar (3-5) palabras clave en Times New
Roman y Negritas No.11
Abstract
Title
Objectives, methodology
Contribution
(150-200 words)
Keyword
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Cita: Apellidos en Mayúsculas -1er Nombre de Autor †, Apellidosen Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper.
Título de la Revista. 2015, 1-1: 1-11 – [Todo en Times New Roman No.10]
___________________________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________________________
† Investigador contribuyendo como primer autor.
© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia
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Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de
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Introducción
Texto redactado en Times New Roman No.12,
espacio sencillo.
Explicación del tema en general y explicar
porque es importante.
¿Cuál es su valor agregado respecto de las
demás técnicas?
Enfocar claramente cada una de sus
características
Explicar con claridad el problema a solucionar
y la hipótesis central.
Explicación de las secciones del artículo
Desarrollo de Secciones y Apartados del
Artículo con numeración subsecuente
[Título en Times New Roman No.12, espacio
sencillo y Negrita]
Desarrollo de Artículos en Times New Roman
No.12, espacio sencillo.
Inclusión de Gráficos, Figuras y Tablas-
Editables
En el contenido del artículo todo gráfico, tabla
y figura debe ser editable en formatos que
permitan modificar tamaño, tipo y número de
letra, a efectos de edición, estas deberán estar
en alta calidad, no pixeladas y deben ser
notables aun reduciendo la imagen a escala.
[Indicando el título en la parte inferior con
Times New Roman No.10 y Negrita]
Grafico 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.
Figura 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.
Tabla 1 Titulo y Fuente (en cursiva).
No deberan ser imágenes- todo debe ser editable.
Cada artículo deberá presentar de manera
separada en 3 Carpetas: a) Figuras, b) Gráficos
y c) Tablas en formato .JPG, indicando el
número en Negrita y el Titulo secuencial.
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Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de
la Revista. 2015- [Redactado en Times New Roman No.9]
Para el uso de Ecuaciones, señalar de la
siguiente forma:
(1)
Deberán ser editables y con numeración
alineada en el extremo derecho.
Metodología a desarrollar
Dar el significado de las variables en redacción
lineal y es importante la comparación de los
criterios usados
Resultados
Los resultados deberán ser por sección del
artículo.
Anexos
Tablas y fuentes adecuadas.
Agradecimiento
Indicar si fueron financiados por alguna
Institución, Universidad o Empresa.
Conclusiones
Explicar con claridad los resultados obtenidos y
las posiblidades de mejora.
Referencias
Utilizar sistema APA. No deben estar
numerados, tampoco con viñetas, sin embargo
en caso necesario de numerar será porque se
hace referencia o mención en alguna parte del
artículo.
Ficha Técnica
Cada artículo deberá presentar un documento
Word (.docx):
Nombre de la Revista
Título del Artículo
Abstract
Keywords
Secciones del Artículo, por ejemplo:
1. Introducción
2. Descripción del método
3. Análisis a partir de la regresión por
curva de demanda
4. Resultados
5. Agradecimiento
6. Conclusiones
7. Referencias
Nombre de Autor (es)
Correo Electrónico de Correspondencia al
Autor Referencia
Revista de Sistemas Experimentales
Formato de Originalidad
Sucre, Chuquisaca ____ de ____ del 20_____
Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables por lo que deberán firmar los
autores antes de iniciar el proceso de revisión por pares con la reivindicación de ORIGINALIDAD de
la siguiente Obra.
Artículo (Article):
_____________________
Firma (Signature):
_____________________
Nombre (Name)
Revista de Sistemas Experimentales
Formato de Autorización
Sucre, Chuquisaca ____ de ____ del 20_____
Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables. En caso de ser aceptado para
su publicación, autorizo a ECORFAN-Bolivia a difundir mi trabajo en las redes electrónicas,
reimpresiones, colecciones de artículos, antologías y cualquier otro medio utilizado por él para alcanzar
un mayor auditorio.
I understand and accept that the results of evaluation are inappealable. If my article is accepted for
publication, I authorize ECORFAN-Bolivia to reproduce it in electronic data bases, reprints,
anthologies or any other media in order to reach a wider audience.
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