Memoria del Congreso Inter... - Universidad Tecnológica de Bahía

Transcripción

Congreso Internacional de Mantenimiento Industrial
Bahía de Banderas 2013
C. Roberto Sandoval Castañeda
GOBERNADOR CONSTITUCIONAL DEL ESTADO LIBRE Y SOBERANO DE NAYARIT
Lic. José Trinidad Espinoza Vargas
SECRETARIO GENERAL DE GOBIERNO DEL ESTADO LIBRE Y SOBERANO DE NAYARIT
CONSEJO DIRECTIVO
Ing. Marco Antonio Ledesma González
PRESIDENTE DEL CONSEJO Y SECRETARIO DE EDUCACIÓN DEL ESTADO
DIRECTORIO
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RECTOR
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SECRETARIO ACADÉMICO
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CONSEJERO PROPIETARIO Y COORDINADOR ESTATAL DE UNIVERSIDADES
TECNOLÓGICAS
MANCP. Luis Octavio Gallardo Arcega
DIRECTOR DE DIVISIÓN INGENIERÍAS
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CONSEJERO PROPIETARIO Y COORDINADOR GENERAL DE UNIVERSIDADES
TECNOLÓGICAS
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CONSEJERO PROPIETARIO Y TITULAR DE LA OSFAE
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COORDINACIÓN DEL PROYECTO:
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TSU Omar Rafael Mendoza Montiel
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BANDERAS
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CONSEJERO PROPIETARIO
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COMISARIO DEL CONSEJO
Editorial: Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas
Dirección de la Editorial: Boulevard Nuevo Vallarta No. 65, Nuevo Vallarta, Bahía de Banderas, Nayarit, México
Código Postal: 63732
Teléfono: 322 226 8300
www.utbb.edu.mx
Título de la de la obra original: Memoria del Congreso Internacional de Mantenimiento Industrial 2013
ISBN: 978-607-96137-2-3
Primera Edición: Septiembre 2013
Este libro es de carácter gratuito en su versión digital
Derechos Reservados: Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas
Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas
Página I
PRESENTACIÓN
En un momento de crisis económica y ambiental sin precedentes en todo el mundo, los países
se enfrentan a la necesidad de cambios radicales (en sus sistemas de energía y mercados). La
emisión incontrolada de bióxido de carbono a la atmósfera a través de la quema ineficiente y
desperdicio de combustibles fósiles es una práctica histórica que tiene que llegar a su fin.
Hay confianza en que los combustibles fósiles serán eventualmente sustituidos por sistemas de
energía con cero emisiones de carbono o con muy bajas emisiones, y aunque es evidente que la
transición a un sistema de energía baja en carbono será larga, perjudicial y muy costosa, en caso
de no hacerla (debido al carácter finito de los combustibles fósiles), los costos en términos
económicos y sobre las condiciones ambientales serían aún mayores.
Es poco conocido el hecho de que nuestra infraestructura energética existente es
innecesariamente ineficiente y que hay un enorme potencial para la obtención de energía a
través de las iniciativas de recuperación y reciclaje y para aprovechar de mejor manera la
energía que se recibe, y de la cual, el mantenimiento es un factor de gran peso. En efecto, la
adopción de la energía renovable no tiene sentido si no va acompañada de una mejora de gran
alcance de la eficiencia energética. En otras palabras, no tiene mucho sentido enfocarse en la
generación de energía más sostenible si seguimos utilizando esa energía de manera no
sostenible. Este desperdicio se aceptó cuando el combustible fósil era barato y abundante (y el
calentamiento global relativamente desconocido). Hoy la situación no podría ser más diferente
y la necesidad de cambiar más urgente. No se puede hacer mucho para hacerse la conversión de
energía más eficiente. Sin embargo, lo que puede y debe suceder es la recuperación de la
energía (perdida en forma de calor) en este proceso y volver a utilizar para otros fines.
En virtud de lo anterior y congruentes con la idea mundial de promover modelos de desarrollo
económico sustentables, basados en la generación de energías renovables, eficiencia energética
y un adecuado mantenimiento, la Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas organizó el
“CONGRESO INTERNACIONAL DE MANTENIMIENTO INDUSTRIAL 2013”, evento que conjuntó a
más de 600 expertos expositores, investigadores, maestros y alumnos, interesados en estos
temas. El presente libro es el resultado de los trabajos de dicho congreso, en el que se plasman
los trabajos más destacados y que sin duda será de enorme apoyo en el proceso educativo de
los estudiantes de todas las universidades.
Lic. José Gómez Pérez
RECTOR DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BAHÍA DE BANDERAS
Página II
CONTENIDO
1. Captación de la Irradiancia en México para la Aplicación de Energía Solar ................ 5
2. Evaluación de la capacidad de captación de radiación solar de un deshidratador
corrigiendo el ángulo de inclinación en el colector. ................................................. 14
3. Simulación numérica de una inclusión no metálica en ensayos de fatiga en flexión
rotativa .................................................................................................................... 24
4. Irradiación en Morelia, Michoacán, Recurso Disponible para Integrar Sistemas
Fotovoltaicos. .......................................................................................................... 32
5. Determinación y Análisis de las propiedades mecánicas a la tensión del acero AISI
SAE 5160H utilizado en la fabricación de muelles semielipticas ............................... 44
6. Caracterización de un sistema de absorción energizado mediante energía solar..... 56
7. Monitoreo de condición, en el análisis de un sistema eléctrico industrial ............... 67
8. Ahorro de energía eléctrica a partir del ahorro de agua en la UTBB ........................ 79
9. Evaluación estructural de un edificio de mampostería ............................................ 91
10. Evaluación de un refrigerador solar intermitente para producción de hielo con
diversos evaporadores ........................................................................................... 103
11. Calidad de la energía en sistemas fotovoltaicos funcionando en la modalidad tipo
isla 112
12. Estudio del potencial de aplicación de la energía solar fotovoltaica en el Estado
de Coahuila ............................................................................................................ 124
13. Desarrollo de aplicaciones móviles y NUI, para el control de accesos e
iluminación en el hogar.......................................................................................... 136
14. Colector solar parabólico para múltiples aplicaciones ........................................... 148
15. Metodología para la Automatización de una Planta de Biodiésel .......................... 160
16. Análisis mediante Elemento Finito y simulación MonteCarlo de una estructura
para la obtención de las distribuciones de esfuerzos ............................................. 171
17. Análisis de falla y estadísticos para la implementación de un programa de
mantenimiento ...................................................................................................... 183
Página III
18. Propuesta de prototipo de sistema de elevación para husillo de máquina CNC ..... 196
19. Diseño y desarrollo de un robot hexápodo para el aprendizaje de la Mecatrónica 203
20. Mantenimiento Autónomo como estrategia para eficientar los procesos
productivos ............................................................................................................ 214
21. Control y Monitoreo de Giro de Motor a Pasos con Acelerómetro DE-ACCM2G a
través de Instrumentación Virtual ......................................................................... 224
22. Desarrollo de un robot-soccer controlado mediante interfaz de conexión
bluetooth con dispositivos Android ....................................................................... 234
23. Control de Potencia Activa Mediante un Compensador Vectorial Serie en una
Línea de Transmisión ............................................................................................. 246
24. Análisis Térmico de Tanques para Calentadores de Agua. ..................................... 259
25. Estudio de la calidad de la energía como herramienta para la obtención de la
certificación ISO 50001 aplicado a una planta papelera ......................................... 269
26. Control de Velocidad para un Motor de Imanes Permanentes ............................... 281
27. Análisis de turbinas eólicas de eje vertical con álabes helicoidales y perfil alar
asimétrico .............................................................................................................. 293
28. Análisis de depreciación de iluminación con Tecnología LED para Aula a un año... 302
29. Análisis de Confiabilidad de Sistemas Eléctricos de Distribución utilizando
Método de Monte Carlo y Analítico ....................................................................... 314
30. Diseño y construcción de instalación experimental para el estudio del
comportamiento de turbinas eólicas de Eje Vertical. ............................................. 326
31. Desarrollo y Caracterización de Material Compuesto Matriz Polimérica reforzado
con Fibra de Yute en sustitución de la Fibra de Vidrio ........................................... 333
32. Algoritmo “Desacoplado Rápido” en la formación de curvas P- V para determinar
la máxima transferencia de potencia en un Sistema Eléctrico ............................... 346
33. Termografia aplicada a ensayos mecánicos de tensión .......................................... 358
34. Sistema fotovoltaico interconectado a la red de 3.6 KWp...................................... 368
Página IV
Captación de la Irradiancia en México para la Aplicación de Energía
Solar
1
Yazmani García Ortiz 2Set Vejar Ruiz 3Guillermo Gutiérrez Almaraz
1, 2,3
Universidad Politécnica de Zacatecas – Plan de Pardillo S/N, Parque Industrial,
Fresnillo, Zacatecas, 99059. México
1
[email protected], 2 [email protected], [email protected]
Resumen
México cuenta aún con reservas de hidrocarburos, probadas según reportes oficiales
para 30 años más [1], sin embargo debido a la mala gestión, los años de duración
pueden ser pocos, la diversificación energética es necesaria por varios motivos
principales: existen aspectos técnicos y económicos que limitan el volumen de
hidrocarburos que se puede extraer del subsuelo, y hay un aumento en el costo del
barril a medida que se hace más compleja la extracción [2].
Pensando en el desarrollo sustentable, se presenta el presente trabajo basado
específicamente en la captación de la energía solar en nuestro país debido a las
bondades que presenta dicho recurso en la mayoría de la República Mexicana, motivo
por el cual se realiza un estudio de los estados que muestran un mayor índice de
irradiancia para que de esta manera, se muestre el porque se considera que nuestro
país tiene un alto potencial en energía solar.
Palabras clave
Energía solar, Posicionamiento Solar, Irradiancia.
1. Introducción
La irradiación solar global en México en promedio es de 5 kWh/m², pero en algunas
regiones del país se llega a valores de 6.3 kWh/día/m². Suponiendo una eficiencia del
15%, bastaría un cuadrado de 25 km de lado en el desierto de Sonora o Chihuahua
Página 5
para generar toda la energía eléctrica que requiere hoy en día el país. Por ello, el
potencial técnico se puede considerar prácticamente infinito [3].
El Estado de Zacatecas tiene un promedio de energía solar aprovechable de
4.65 kWh/m2, pero en la región norte del Estado se recibe de 6 a 6.5 kWh/m2, uno de
los más altos valores de irradiancia a nivel mundial [4], sin embargo existen zonas al
noroeste del país que cuentan con un mayor índice de irradiancia, lo cual lo se muestra
en la figura 1.
2
Figura 1. Mapa de irradiación solar global diaria kWh/m [5]
La parte superior de la atmósfera recibe una cantidad de energía solar
equivalente a 1,353 W/m2, parámetro que se conoce como insolación o constante solar.
Sin embargo, debido a que en un momento dado sólo la mitad de la esfera terrestre se
encuentra expuesta a la radiación solar, ése valor suele dividirse a su cuarta parte, para
obtener así una radiación incidente promedio de 342 W/m2 [6].
Página 6
La Tierra describe un movimiento de traslación alrededor del Sol según su órbita
elíptica en la que éste ocupa uno de los focos. El eje polar, sobre el que gira la tierra,
está inclinado respecto del plano de la eclíptica un ángulo de 23.450 figura 2.
Figura 2. Movimiento elíptico de la Tierra alrededor del Sol [6].
Debido a esta inclinación y a la traslación de la Tierra, el ángulo formado por el
plano ecuatorial de la Tierra con la recta imaginaria que une los centros del Sol y la
Tierra, denominada declinación solar (δ), varía entre 23.450 (solsticio de verano) y 23.150 (solsticio de invierno) [7].
Como consecuencia de la variación de la declinación solar el ángulo con que los
rayos solares inciden sobre la superficie terrestre será mayor o menor dependiendo de
la época del año y de la latitud L del lugar. La perpendicularidad de los rayos solares,
para una misma latitud L, es mayor en verano que en invierno. Por este motivo, la
energía total incidente es muy superior en verano que en invierno.
Así mismo, los rayos inciden con menor perpendicularidad a medida que
aumenta, en valor absoluto, la latitud del lugar.
Página 7
2. Desarrollo
El trabajo desarrolla un análisis del posicionamiento solar, esto con base en datos
proporcionados por el Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y
Pecuarias (INIFAP), mostrando la viabilidad de dicho recurso, para ello se muestra un
análisis del comportamiento solar a lo largo de un año y en base a eso se verificó el
promedio de irradiancia diaria de algunos estados que muestran un mayor índice.
Posteriormente se realizó un estudio para verificar la información obtenida del
INIFAP, el cual se aplicó en la ciudad de Fresnillo, Zacatecas, para lo cual se diseñó un
dispositivo que permite el uso de un par de piranómetros para mayor seguridad de los
datos registrados, los cuales están debidamente calibrados, en dicho dispositivo se
colocan los piranómetros al ras de la superficie, los cuales
son enfocado por
colimadores, de tal manera, que pueda recibir de manera directa los rayos de luz
determinando así la irradiancia total, el tercer colimador se coloca para verificar que se
esté tomando el ángulo adecuado eligiendo como referencia la ley de Snell, que
menciona que el ángulo de un rayo incidente sobre una superficie, es igual al ángulo del
rayo reflectado figura 3.
Figura 3. Aparato diseñado para la medición de la irradiancia.
Página 8
Finalmente, se muestra un comparativo entre nuestro país y España, que es líder
en Europa y el mundo en aplicación de energía solar.
3. Resultados
Mediante los datos proporcionados por el INIFAP, se puede corroborar que el uso de la
energía solar en México Tabla 1.
Tabla 1. Irradiancia promedio anual en los principales estados de México.
La figura 4,
permite ver que en los Estados de la República Mexicana, el
promedio de ninguno esta por debajo de los 5 kWh/m2 , es decir, estan por ecima del
promedio que menciona el instituto de energías eléctricas IIE [8].
Muestra de Irradiancia de México
6
5.9
5.8
5.6
5.6
5.9
5.5
5.3
5.5
PROMEDIO
SONORA
CHIHUAHUA
ZACATECAS
GUANAJUATO
JALISCO
BAJA CALIFORNIA
QUERETARO
OAXACA
PUEBLA
Figura 4. Irradiancia de los Estados Estudiados.
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En la verificación realizada en la Ciudad de Fresnillo, Zacatecas se obtuvo una
irradiancia promedio de 5.5 kWh/m2 figura 5, la variación puede radicar en la medición,
ya que aún y cuando los piranómetros están bien calibrados, el aparato de medición
diseñado puede tener errores, sin embargo es muy aproximado al proporcionado por el
INIFAP.
Figura 5. Irradiancia obtenida en la ciudad de Fresnillo Zacatecas para validación de datos del INIFAP.
Claramente podemos observar en la tabla anterior que el mes de Enero es en el
que recibimos menor cantidad de radiación solar; aunque en ese mes la distancia de la
tierra respecto al sol no es la máxima, el ángulo de inclinación de la Tierra provoca que
precisamente en esa época del año los rayos solares no lleguen directamente al
hemisferio norte (región donde se encuentra México), teniendo el invierno en esta zona
del planeta y el verano en el hemisferio sur.
Lo contrario pasa en el mes de Mayo cuando en México se tiene el mes de
máxima irradiancia, a pesar de que en esta época del año se tiene la distancia máxima
entre la Tierra y el Sol, la inclinación de la Tierra respecto al plano solar permite que los
rayos solares peguen directamente en el hemisferio norte teniendo el verano en esta
región del planeta y el invierno en el hemisferio sur.
Página 10
En un comparativo general de México vs España, que es líder en trabajar la
energía solar en Europa y el Mundo, se muestra que el país Europea divide en 5
regiones la irradiancia solar figura 6, sin embargo la zona 5 que corresponde a lugares
con irradiancia mayor a 5 kWh/m2, es muy pequeña comparada con nuestro país, que
como vimos anteriormente, el promedio de los Estados estudiados está por encima de
dicha cantidad.
Figura 6. División solar de España [9].
4. Conclusiones
El análisis mostrado es aplicable para cualquier Estado de la República Mexicana
basándose en datos del INIFAP.
Página 11
El recurso solar disponible es enorme, y para darnos una idea de que tan grande puede
llegar a ser; la energía solar que recibe la tierra en un año es equivalente a más de diez
mil veces al consumo energético en todo el mundo. Por esta razón es importante
empezar a explotar este recurso natural inagotable para satisfacer las necesidades del
país y dejar de ser consumidores de tecnología.
Cabe resaltar que los estados analizados en este trabajo, son los que muestran mayor
viabilidad de la explotación del recurso ya mencionado, sin embargo, estados ubicados
en el golfo de Tehuantepec, también pudieran ser aptos para esta aplicación, aun
cuando su naturaleza indicaría la aplicación de energía eólica.
Referencias
[1] Reservas de hidrocarburos (2012). PEMEX
Extraído el 6 de mayo de 2013 desde:
http://www.ri.pemex.com/index.cfm?action=content&sectionID=134&catID=12201#2011
[2] Tagueña J, Martínez M (2009) Fuentes Renovables de Energía y Desarrollo
Sustentable, ADN Editores S.A de C.V México DF.
[3] Vejar S, (2010) Desarrollo de un Sistema Fotovoltaico –Hidrogeno- de Potencia para
la Generación, Almacenamiento y uso Eficiente de la Energía, Tesis doctoral,
UNAM México.
[4] Plan Estatal de Desarrollo de Zacatecas 2011-2016.
Extraído el 13 de abril de 2013 desde
http://transparencia.zacatecas.gob.mx/sites/transparencia.zacatecas.gob.mx/files/tran
sparencia/09%20Zacatecas%20Moderno.pdf
[5] Instituto Nacional de Investigaciones Forestales, Agrícolas y Pecuarias.
Extraído el 14 de abril del 2013 desde
http://www.inifap.gob.mx/SitePages/default.aspx
[6] Sánchez M.A (2011) Energía Solar Fotovoltaíca, Editorial Limusa S.A de C.V. Grupo
Noriega Editores, México.
[7] González J, 2010, Energías Renovables, Editorial Reverteté, España.
Página 12
[8] Instituto de Investigaciones Eléctricas.
Extraído el 30 de abril del 2013 desde
http://vmwl1.iie.org.mx/sitioIIE/sitio/indice.php
[9] Centro de Investigación Energética, Medioambientales y Tecnológicas.
Extraído el 3 de mayo del 2013 desde
http://www.energiasrenovables.ciemat.es/
Página 13
Evaluación de la capacidad de captación de radiación solar de un
deshidratador corrigiendo el ángulo de inclinación en el colector.
Miguel Agustín Heredia Vázquez1 Alma Teresa Miranda Quiróz2 Julio Vargas Medina3
1
PTC carrera de Energías Renovables - Universidad Tecnológica de Morelia – Av.
Vicepresidente Pino Suarez #750 Cd. Industrial Morelia, Mich.
58200. México
1
[email protected]
2
PTC carrera de Biotecnología - Universidad Tecnológica de Morelia
2
[email protected]
3
Profesor Asociado A – Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo – Av.
Francisco J. Mujica S/N Ciudad Universitaria, Morelia, Michoacán
58030. México.
[email protected]
3
Resumen
La presente investigación tiene como propósito realizar un estudio comparativo
evaluando la capacidad de captación de radiación solar por un deshidratador. El estudio
consistió en evaluar las temperaturas del aire medidas en la salida del colector solar de
un deshidratador con dos ángulos de inclinación diferentes, uno al azar y otro
determinado mediante geometría solar. Para este último, se utilizó un software que
determina el ángulo de inclinación para el colector en el cual capta la mayor radiación
disponible, de acuerdo a la ubicación del emplazamiento. De acuerdo a los resultados
obtenidos, se determinó que la temperatura del aire se incrementa cuando el colector
se coloca al ángulo adecuado, determinado por software. Los resultados obtenidos
reflejan que realizando el cálculo y determinación de la orientación y ángulo de
inclinación adecuados, para cualquier superficie plana fija que requiera captar radiación,
se optimiza al máximo la captación de la energía solar disponible.
Palabras claves
Deshidratador solar, geometría solar, ángulo de inclinación, METEONORM.
Página 14
1. Introducción
La deshidratación o secado (Pedro, 2001) es una técnica de conservación de alimentos
utilizada desde tiempos remotos que, además de proporcionar un ambiente difícil para
el crecimiento microbiano, reduce los costos de transporte y almacenamiento por la
disminución del peso y volumen de los productos. Aunque en la actualidad se practican
diferentes técnicas de secado, el secado al Sol, utilizado desde la antigüedad, sigue
siendo una opción viable, económica y sencilla, tanto a escala familiar como en grandes
producciones agrícolas. Éste es uno de los usos más importantes del calor solar ya que
permite tratar una gran variedad de alimentos.
El objetivo más importante en la selección de emplazamientos para instalaciones
solares (Castell, 2012), es maximizar la captación de energía para reducir el costo de
producción. La situación más usual, es aquella en la que es necesario determinar la
producción energética en sitios donde no han sido realizadas las mediciones de
energía. La obtención de los datos de energía disponible se torna un proceso largo o
engorroso; las mediciones individuales y de forma manual requieren de tiempos muy
prolongados para ser confiables, o el recurrir a instancias especializadas en el ramo
(estaciones meteorológicas, servicios meteorológicos etc.) recae en la recopilación de
muchos y variados documentos que implica el tedioso trabajo de concentración y
ordenamiento de datos para su utilización.
Los sistemas basados en energía renovables requieren de la determinación
precisa y puntual de la disponibilidad energética del sitio proyectado (Jutglar, 2004), de
ahí radica la eficiencia y factibilidad del proyecto. En el caso de la energía solar,
donde una superficie plana requiere captar el máximo de radiación (Kalogirou, 2009), es
de vital importancia determinar la orientación geográfica y la inclinación respecto a la
horizontal, en la cual captará la mayor energía solar disponible.
Página 15
2. Desarrollo
Este estudio considera la deshidratación de fresa, en un deshidratador solar. En una
primera fase, se utilizó con el ángulo de inclinación de 23⁰ del colector respecto a la
horizontal (tal como fue diseñado anteriormente).
Figura 1. Deshidratador solar con ángulo de inclinación de 23⁰ en el colector.
En una segunda etapa, se corrigió el ángulo de inclinación en el colector a 15⁰,
según la geometría solar y de acuerdo a la latitud, longitud y altura sobre el nivel del
mar (a.s.n.m.) correspondiente al lugar de pruebas, que en éste caso es la Universidad
tecnológica de Morelia, utilizando software.
Figura 2. Deshidratador solar con ángulo de inclinación de 15⁰ en el colector.
Página 16
El estudio consiste en comparar y evaluar las mediciones de las temperaturas del
aire obtenidas a la salida del colector, que es el fluido que se utiliza en la torre para
llevar a cabo el proceso de deshidratación, entendiéndose por deshidratación (Pedro,
2001) a la operación mediante la cual se elimina total o parcialmente el agua de los
sólidos, líquidos o gases que la contiene, dando lugar a operaciones unitarias como la
evaporación, la adsorción, etc.
Para la determinación de la orientación e inclinación del colector adecuadas para
aprovechar al máximo la energía solar disponible en el emplazamiento, se utilizo el
software METEONORM, que es herramienta
poderosa y amigable que facilita las
tareas de selección (Häberlin, 2012), determinación y cálculo de la energía disponible
en proyectos de energías renovables. Este software se basa en datos meteorológicos
obtenidos en un periodo de 18 años, en cualquier parte del mundo, lo que lo hace
bastante confiable, algunos de los parámetros medidos son: radiación, temperatura,
humedad, velocidad y dirección del viento, duración de la insolación, temperatura
ambiente etc.
Figura 3. Ventana principal y ejemplo de reporte de parámetros de METEONORM .
Además, es posible calcular la radiación captada por una superficie plana,
variando su orientación de 0⁰ a 306⁰ y su inclinación de 0⁰ (sobre la horizontal) hasta
90⁰ (perpendicular a la horizontal), permitiendo seleccionar las unidades de medición.
Página 17
Figura 4. Interfaz de orientación de superficie inclinada para cálculo de parámetros en METEONORM.
Adicionalmente se puede elegir la frecuencia de medición en horas, días, semanas,
meses, años según las necesidades del usuario en el manejo de la información.
3. Resultados
En esta sección se muestran los resultados obtenidos de la evaluación y comparación
de las lecturas de temperatura del aire a la salida del colector.
En primer lugar se muestran los resultados obtenidos con el deshidratador
orientado hacia el Sur, y con una inclinación en el colector de 23⁰ respecto a la
horizontal, tal como fue diseñado en un principio:
Primer deshidratada de fresa 17 abril
termómetro 9 am
10 am 11 am 12 pm 1 pm
380c
500c
650c
salida
320c
570c
2 pm
580c
3 pm
560c
segunda deshidratada de fresa18 abril
termómetro 9 am
10 am 11 am 12 pm 1 pm
salida
340c
410c
510c
600c
640c
2 pm
600c
3 pm
580c
2 pm
620c
3 pm
580c
termómetro 9 am
salida
350c
tercer deshidratada de fresa 22 abril
10 am 11 am 12 pm 1 pm
420c
530c
610c
640c
Tabla 1. Lecturas obtenidas por día y hora con el colector a 23⁰ de inclinación.
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Graficando los valores se puede apreciar que la temperatura máxima alcanzada
fue de 65⁰C a las 13:00 hrs. el día 17 de Abril, así como el promedio máximo de 64⁰C a
la misma hora:
Figura 5. Gráficas de Temperatura con el colector a 23⁰ de inclinación.
A continuación se muestran los resultados obtenidos con el deshidratador
orientado hacia el Sur, y con una inclinación en el colector de 15⁰ respecto a la
horizontal, considerando los resultados del METEONORM, y haciendo una termográfica
correspondiente a la ciudad de Morelia de una superficie plana variando su orientación
de 0⁰ a 360⁰ y su inclinación de 0⁰ (sobre la horizontal) hasta 90⁰ (perpendicular a la
horizontal), valores en porcentaje de captación:
Figura 6. Termo gráfica de radiación en porcentaje de Morelia, Michoacán.
Las temperaturas fueron tomadas con el mismo instrumento. Cabe mencionar
que los días de experimentación, ya con el nuevo ángulo, se presentaron con más
Página 19
nubosidad, lo que obviamente reduce la radiación disponible. Las lecturas tomadas
fueron:
termómetro 9 am
salida
420c
Primer deshidratada de fresa 9 mayo
10 am 11 am 12 pm 1 pm
490c
920c
630c
750c
2 pm
860c
3 pm
650c
segunda deshidratada de fresa13 mayo
termómetro 9 am
2 pm
10 am 11 am 12 pm 1 pm
400c
460c
650c
460c
salida
750c
910c
3 pm
620c
tercer deshidratada de fresa 14 mayo
termómetro 9 am
10 am 11 am 12 pm 1 pm
410c
480c
640c
760c
920c
salida
3 pm
640c
2 pm
840c
Tabla 2. Lecturas obtenidas por día y hora con el colector a 15⁰ de inclinación.
Graficando los valores se puede apreciar que la temperatura máxima alcanzada
fue de 92⁰C a las 13:00 hrs. los días 9 y 14 de Mayo, así como el promedio máximo de
92⁰C a la misma hora:
Figura 7. Gráficas de Temperatura con el colector a 15⁰ de inclinación.
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Finalmente, graficando los promedios de las lecturas obtenidas con los dos
ángulos, tenemos:
Figura 8. Gráficas de los promedios de Temperatura obtenidos con el colector a ambos ángulos de
inclinación.
Se puede observar que, aun cuando se tuvo un día muy nublado en las lecturas
con el ángulo corregido, que fue el 13 de mayo entre las 13:00 y 14:00 hrs, el promedio
de todas las mediciones indica incremento en la captación de radiación.
Página 21
4. Conclusiones
Las diferencias en las lecturas registradas con el colector a dos ángulos de
inclinación indican la captación de energía solar aprovechada para calentar aire:
•
se logró elevar la temperatura promedio en 19.55%,
•
la temperatura máxima alcanzada en 29.25%,
•
y la temperatura mínima alcanzada en 20%.
El estudio demuestra que al considerar la geometría solar al determinar el ángulo
y la orientación adecuados en una aplicación de captación de energía solar en una
superficie plana, se maximiza el aprovechamiento de la energía disponible, que en éste
caso, la inversión económica para la mejora fue cero, en el caso de nuevos proyectos,
puede ser considerado desde el diseño, reduciendo sustancialmente los costos por
modificaciones.
Página 22
Referencias
Castell, X. E. (2012). Energías Renovables. En X. E. Castell, Energías Renovables
(pág. 627). Madrid, España: Diaz de Santos.
Häberlin, H. (2012). Photovoltaics: System Design and practice. Chichester, United
Kingdom: Wiley.
Jutglar, L. (2004). Energía Solar. Barcelona: Ediciones Ceac.
Kalogirou, S. (2009). Solar energy engineering : processes and systems. Burlington, MA
01803, USA: Elsevier’s Science & Technology.
Pedro, F. M. (2001). Introducción al secado de alimentos por aire caliente. Valencia,
España: UPV.
Página 23
Simulación numérica de una inclusión no metálica en ensayos de
fatiga en flexión rotativa
Mauricio Guzmán Tapia1, Víctor Hugo Zalapa Medina2, José Luis Campos Villafuerte3
1, 2,3
Universidad Tecnológica de Morelia – Ave. Vicepresidente Pino Suarez No. 750,
Ciudad Industrial, Morelia, Michoacán, 58200. México
1
[email protected], [email protected] , [email protected]
Resumen
Este trabajo está enfocado a la simulación numérica de una probeta con forma de reloj
de arena utilizada en ensayos de fatiga en flexión rotativa. Los resultados de la
simulación son obtenidos por medio del programa de computación ANSYS, para
determinar los valores numéricos del esfuerzo y deformación, así como de su
distribución dentro de la probeta, como resultado de la sección estrecha de la probeta y
de la fuerza aplicada.
Palabras claves
Fatiga mecánica, Simulación numérica, inclusiones no metálicas
1. Introducción
En los últimos 30 años industrias modernas como la automotriz, la aeronáutica, la de
los trenes a alta velocidad, la producción de energía, entre otras, han mejorado su
eficiencia en términos de menor consumo de energía, gracias al desarrollo de nuevos
materiales y al mejoramiento de sus propiedades físicas y mecánicas [1,2,3].
Con frecuencia en estas industrias, elementos mecánicos o sistemas soportan
cargas oscilantes que provocan fatiga mecánica. Bajo estas condiciones, es de
importancia capital llevar a cabo investigaciones sobre la resistencia a la fatiga para
prevenir catástrofes materiales y humanas.
Página 24
La pertinencia de este proyecto se sustenta, entre otros factores, en los costos
económicos que implican las fallas mecánicas, principalmente fallas por fatiga-fractura.
Un estudio realizado en los Estados Unidos hace algunos años revelo que las pérdidas
por fractura ascendieron a los 119 mil millones de dólares que era casi el 4% del
Producto Interno Bruto en ese año [4]. Las fallas por fatiga implica varios ramos de la
ingeniería como los puentes a ingenieros civiles, los tractores a ingenieros agrónomos,
la válvula de un corazón a un ingeniero bioquímico y una tubería nuclear a ingenieros
nucleares, entre otros.
2. Desarrollo
Material de prueba: La tabla 1 (a) y (b) muestran la composición química y las
propiedades del material respectivamente. Las propiedades mecánicas no tienen
tratamiento térmico.
Tabla 1: Composición química (a) y Propiedades mecánicas del acero AISI - SAE 1018 (b).
Composición Química (%)
C
Mn
P (max)
S (max)
Composición Química (%)
0.15 - 0.20
0.60 - 0.90
0.04
0.05
C
Mn
P (max)
S (max)
a)
0.15 - 0.20
0.60 - 0.90
0.04
0.05
b)
Medidas de la probeta: Para llevar a cabo las pruebas, las probetas deben llevar las
dimensiones mostradas en la figura 1.
D0 = 4 mm , L = 12.0 mm
Dimensiones en mm.
Figura 1. Dimensiones de la probeta.
NOTA: Estas dimensiones son estándares establecidos por normas Japonesas
Página 25
Modelo en ANSYS: La metodología utilizada para le realización de la probeta en
ANSYS, es el siguiente:
1) Establecer el tipo de elemento, que para este caso es el SOLID, 20 node 186.
2) Realizar 6 Keypoints para tener la morfología mostrada en la figura 2, hacer las
líneas correspondientes, el arco, área y un espejo de la sección para tener la sección
longitudinal.
Figura 2.Sección de la probeta de ensayos de tensión.
3) Realizar una revolución a lo largo del eje “y” de 360°, así como juntar los
volúmenes para tener solo uno. El mallado se hace libre y se cargan las restricciones
de desplazamientos en los extremos de la probeta en los ejes x y z, así como darle
valores a los desplazamientos en el eje “y”, la figura 3 muestra la unión de los
volúmenes y el mallado de la probeta.
Página 26
(a)
(b)
Figura 3. Perfil de la probeta de ensayos: a) Volumen unido y b) Mallado de la probeta
Ya obtenido el mallado en el volumen de la probeta, se le da solución aplicando las
fuerzas correspondientes, teniendo como resultado que el desplazamiento máximo es
de 0.3 micrómetros como se aprecia en la tabla de la figura 4.
Figura 4. Solución nodal de esfuerzos máximos y desplazamientos.
Además se aprecia que el esfuerzo máximo generado es de 703 MPa, observándose
en la parte estrecha de la probeta. La figura 5 presenta la zona de esfuerzo máximo en
la zona estrecha de la probeta.
Página 27
Figura 5. Resultados de la simulación.
3. Resultados
Discusión
En estos resultados podemos apreciar que la zona más crítica de la simulación es en el
centro de la probeta, teniendo en cuenta que el material seleccionado en el programa
no considera la calidad del material que se vende comercialmente.
Para corroborar que los ensayos experimentales correspondan a la simulación
numérica, se realizaron los ensayos experimentales, con el material seleccionado y se
observó que el inicio y mecanismo de fisura es asociado con inclusiones de tipo no
metálicas (óxidos de Al, Mn, Ca,Mg,) [5,6,7]. Posteriormente se genera un volumen
elíptico y se extrae de la probeta para simular la inclusión de tipo no metálica.
En la figura 6 vemos la forma de la elipse, la generación del área por las líneas y el
espejo del área para tener la sección transversal de la elipse.
Página 28
Figura 6. Líneas, área y sección transversal de la elipse.
Ya con la sección transversal dibujada, se genera un volumen elíptico, por medio de
una revolución a lo largo del eje “x” de 360° y se substrae del cuerpo de la probeta. La
figura 7, muestra el volumen elíptico, que es representativo de algunas inclusiones no
metálicas.
Figura 7. Volumen de la elipse.
Ya extraído el volumen de la elipse de la probeta, se procede a solucionar con los
mismos desplazamiento aplicados con anterioridad, con un desplazamiento de 3
micrómetros de tensión en cada extremo de la probeta. Como resultado de la exclusión
de la elipse, el esfuerzo máximo es de σ=13.2 GPa, en relación a los σ=0.703 GPa de
la simulación anterior (sin extracción de la elipse), como lo muestra la figura 8.
Página 29
Figura 8. Resultados de la simulación con la extrusión de la elipse.
4. Conclusiones
Como podemos observar, el esfuerzo aumenta considerablemente en la zona de la
de la elipse, lo que nos lleva a concluir que en el proceso de fatiga al presentarse una
inclusión de tipo no metálica, genera una concentración de esfuerzos superior a la del
resto de la probeta, y de ahí que se generen el o los mecanismos de fractura en esa
zona apreciados en la figura 9.
Figura 9. Esfuerzos máximos en la elipse.
Página 30
Referencias
[1] Marines, C. Rubio, G. Dominguez, and C. Bathias, “Carburized steel S-N curves in
the gigacycle regime” Proc. 3rd VHCF Int. Conf. Eds. T. Sakai and Y. Ochi,
University of Electro-Communications Pub., Tokio, Japan (2004), pp. 116-123.
[2] Y. Murakami, and H. Matsunaga, “Effect of hydrogen on high fatigue properties of
stainless steels and other steels used for fuel cell system”, Proc. 3rd VHCF Int.
Conf. Eds. T. Sakai and Y. Ochi, University of Electro-Communications Pub., Tokio,
Japan (2004), pp. 322 – 333.
[3] I. Marines et al. “Ultrasonic fatigue test on bearing steel AISI-SAE 52100 at
frequency of 20 kHz and 30 kHz” Int. J. Fatigue, 25, 2003, pp. 1037-1046.
[4] R.P. Reed, J.H Smith and B.W Christ “The Economic Effects of Fracture in the
United States,” U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standars,
Special Publication 647, march 1983.
[5] Y. Murakami, “Factors affecting ultralong life fatigue and design method for
components”, Proc. 9th International Fatigue Congress, Atlanta, Georgia, USA, May
2006.
[6] H. Itoga et al., “Effect of inclusion size on step-wise S-N characteristics in high
strength steels”, Proc. 3rd VHCF Int. Conf. Eds. T. Sakai and Y. Ochi, University of
Electro-Communications pub. Tokyo, Japan (2004), pp. 633-640.
[7] T. Matsumura, Y. Ochi, and K. Masaki, “Effect of inclusion morphology on very high
cycle fatigue property in high strength steel SNCM439”, Proc. 3rd VHCF Int. Conf.
Eds. T. Sakai and Y. Ochi, University of Electro-Communications pub. Tokyo, Japan
(2004), pp. 625-632.
Página 31
Irradiación en Morelia, Michoacán, Recurso Disponible para Integrar
Sistemas Fotovoltaicos.
Miguel Barragán Bueno1
1
Universidad Tecnológica de Morelia, Carrera de Energías Renovables -
Vicepresidente Pino Suárez No. 750, Cd. Industrial, C.P.: 58000, Morelia, Michoacán,
México.
1
[email protected]
Resumen
El presente trabajo tiene como objetivo conocer y analizar el recurso disponible de
Irradiancia en la ciudad de Morelia, Michoacán, con la finalidad de integrar un sistema
fotovoltaico, para la Universidad Tecnológica de Morelia, partiendo de datos reales.
Este trabajo se basa principalmente en el comparativo de la disponibilidad de
Irradiancia a nivel mundial y en México, así como la diferencia de las capacidades de
sistemas integrados en Europa y en nuestro país. Principalmente se hace un análisis a
datos proporcionados por el Centro de Previsión Meteorológico de Morelia, así como la
conversión de estos datos. Y así poder corroborar la disponibilidad del recurso principal
para integrar un sistema fotovoltaico como es la Irradiancia en la localidad. Los
resultados obtenidos son principalmente en el comparativo de datos promedio
mensuales, así como comparativo del promedio de irradiancia en México.
Palabras Clave:
Irradiancia, Integración de un sistema Fotovoltaico, Centro de Previsión Meteorológico
de Morelia.
Página 32
1. Introducción
El propósito y objetivo principal, del presente artículo es con la finalidad de analizar la
información proporcionada por el Centro de Previsión Meteorológico de Morelia, con
respecto a la Irradiancia que incide en la Ciudad de Morelia; Mich. Así como la
conversión a las unidades requeridas que son en kWh/m2. Todo a su vez con la
finalidad de establecer y corroborar que el recurso disponible es el adecuado en esta
Ciudad para poder Integrar Sistemas fotovoltaicos. Se hace una pequeña reseña sobre
un comparativo de la Irradiancia a nivel nacional con la de Europa, puesto que en este
continente se tiene a nivel mundial la mayor capacidad de sistemas fotovoltaicos
instalados, aún y cuando la irradiación sea mucho menor que la recibida en México.
2. Desarrollo
La integración de un sistema fotovoltaico, es exclusivo de
la disponibilidad de la
irradiación en la localidad, esta irradiación varía en cada punto de nuestro planeta, es
decir, no es la misma irradiación en una localidad de Alemania o cualquier otro país
europeo a la recibida en nuestro País, puesto que México, se encuentra más cercano
hacia el Ecuador Figura 1. Esto nos posiciona en una gran ventaja sobre los países de
Europa, en cuanto al recurso de irradiación solar, sin embargo, sabemos que en la
actualidad la integración de sistemas fotovoltaicos de forma micro o macro se ha
generalizado en toda Europa, siendo Alemania el País con más capacidad integrada en
sistemas fotovoltaicos a Nivel Mundial Figura 2.
2
Figura 1: Mapa de Irradiancia Mundial y gráfica de de colores que asemejan la radiación en W / m . [1]
Página 33
Observamos en la Figura 2, donde muestra en una grafica la capacidad instala de las
principales potencias dentro de este rubro, cabe señalar que México no entra como país
productor, sino entra de forma grupal con América Latina.
Figura 2. Capacidad Instalada de Sistemas Fotovoltaicos en el Mundo. [2]
[2] Datos relevantes a nivel mundial a la Industria Solar Fotovoltaica para el año
2010.
[2] Los países principales por potencia instalada en 2010, por orden, fueron: Alemania
(7.408 MW), Italia (2.321 MW), República Checa (1.490 MW) Japón (990 MW) y EE.UU.
(980 MW). La potencia mundial instalada en el año 2010 fue de 16.600 MW, lo que
supuso un incremento del 72% de la potencia mundial acumulada con respecto al año
2009. El 79% de la potencia mundial instalada en 2010 fue en la Unión Europea, con
más de 13.240 MW. Dentro de la Unión Europea, Alemania fue claramente el
preponderante representando el 59% de toda Europa. EE.UU. instaló en 2010, 980
MW, alcanzando aproximadamente los 2,7 GW. Aparecen nuevos actores como China
con 520 MW acumulados y la India con 30 MW.
En la Figura 3, muestra las potencias acumuladas en sistemas fotovoltaicos en
2010, en los principales países europeos; en esta gráfica observamos que países como
Portugal, inclusive Bélgica, quien posee una superficie mucho inferior a nuestro
territorio, así como una irradiación mucho menor, tiene una capacidad fotovoltaica
Instalada, por encima de nuestro país, de más de 39 veces, es decir por cada MW
instalado en México, Bélgica tiene instalados 39MW.
Página 34
Figura 3. Capacidad de Sistemas Fotovoltaicos Instalados en Europa. [2]
Pasemos a nuestro país, con los datos señalados en la Figura 4, observamos
que tenemos localidades con un alta Irradiación, tal es el caso de de Mexicalí, B.C. N.
donde poseen un promedio diario de 5.90 kW-h/m2. Cantidad de energía solar que si
fuera convertida a electricidad mediante un sistema fotovoltaico, podría alimentar un
hogar promedio en el consumo de energía eléctrica. Ahora bien tenemos que si la
tecnología actual en lo relacionado a las fotoceldas que se encuentran en el mercado
donde: fotoceldas de silicio policristalino están por el 21 % de eficiencia y las de silicio
mono-cristalino con una eficiencia del 22 a 23 %, quiere decir que en un metro
cuadrado podríamos convertir aproximadamente en esta localidad en mención con la
utilización de un sistema de fotoceldas ya fueran de silicio mono-cristalino o policristalino, a 1.239 hasta 1.298 kW-h/m2 por día, respectivamente.
2
Figura 5. Capacidad de Irradiación de algunas ciudades de México en kW-h / m por día. [4]
Para concluir con estos puntos anteriores con el cual hago una referencia de la
disponibilidad del recurso de energía solar para esta Ciudad de Morelia y con esto
poder saber que estamos en una inmejorable situación para poder hacer la aplicación
de la tecnología
y así sacar el mayor provecho de la energía solar en forma de
irradiancia o cantidad de energía solar por metro cuadrado que se recibe.
Página 35
[3] Ubicación de Morelia, Michoacán
La ciudad de Morelia, Mich. se encuentra ubicada en las coordenadas de latitud y
longitud: 19°42´ 08´´ N, 101°11´08´´ O, a una altitud de 1921 msnm. Ver Figura 6.
Figura 6. Ubicación del Estado de Michoacán y de la Ciudad de Morelia en el mapa de México. [3]
Ahora sabiendo la ubicación de la Ciudad de Morelia, Michoacán. Pasemos a lo
relevante del capítulo que corresponde a la disponibilidad de la Irradiaición que recibe
esta ciudad, siendo el Centro de Previsión Meteorológica de Morelia, quien nos
proporciono estos datos, pero debo hacer la siguiente observación, fue a partir hasta
el mes de Julio del año de 1996 que comenzaron a adquirir datos relacionados a la
Radiación Solar que incide sobre esta ciudad, ya que anteriormente no le daban una
importancia relevante o simplemente no lo consideraban como dato importante para la
previsión meteorológica, pero aún así la información se regularizo siendo hasta el año
2004.
Aparatos de Medición utilizados por el CPMM
Los datos obtenidos por el Centro de Previsión Meteorológico de Morelia, corresponden
a los que obtienen con lo registrado con los siguientes aparatos de medición, un
Heliógrafo (Figura 7 y 7a) y un Piranómetro (Figura 8 y 8a).
Señalemos que además
de estos dos aparatos, existen otros más con la capacidad también de obtener la
radiación solar total, como son el pirheliómetro.
Página 36
Figuras 7 y 7a. Heliógrafo del Centro de Previsión Meteorológica de Morelia.
Los datos que obtiene este Centro de Previsión Meteorológico de Morelia, es en
referencia a las horas al día que hay sol, es decir la cantidad de horas diarias de
radiación y este dato es obtenido por medio del Heliógrafo. Así como la cantidad de
energía solar por centímetro cuadrado que incide en la ciudad de Morelia, estos datos
son obtenidos por el Piranómetro, datos que obtienen en cal/cm2 y en joules (J) o
kilojoules (kJ), por día.
Figuras 8 y 8a. Piranómetro del Centro de Previsión Meteorológico de Morelia.
Ahora pues, la información proporcionada, como bien lo mencionamos
anteriormente, ésta dada en cal/cm2 y en joules (J) o kilojoules (kJ), por día; pero para
nosotros, el dato que nos interesa en Irradiación, hice la correspondiente conversión
para así poder tener
las unidades de kW-h/m2 por día. Cabe señalar que se nos
menciono que en algunas ocasiones no se pudo obtener esta información y registrarla,
como observaremos en algunos días de los registrados. Como mencione anteriormente,
el Centro de Previsión Meteorológico de Morelia, comenzó a obtener información de
radiación a partir del mes de julio de 1996, por esta razón hago el siguiente comentario,
Página 37
existen en el mercado softwares que pueden obtener datos estimados en base a
cálculos que estos mismos realizan y así poder conocer, algunos datos de irradiación
de años anteriores al año de 1996, pero recordemos que son datos estimados. Por
esta razón, menciono que todos los datos aquí mencionados y convertidos son
provenientes de una Institución que se dedica exclusivamente a la obtención y
proporción de información. Y por ende son datos confiables y registrados mediante
aparatos exclusivos para su medición e interpretación correspondiente. (Información
proporcionada por el Centro de Previsión Meteorológico de Morelia)
3. Resultados
De la información proporcionada por el Centro de Previsión Meteorológica de Morelia y
a la cual se realizo la conversión correspondiente de kJ/cm2 a kWh/m2, nos permite
revisar, analizar y observar algunos días de los meses de Julio y Agosto del año 1996,
para poder comenzar con este análisis:
JULIO
AGOSTO
cal/cm 2
J
Kj
KWh/m 2
cal/cm 2
J
Kj
KWh/m 2
cal/cm 2
1
291.9
1222.2
1.22
3.39
355.8
1489.7
1.49
4.14
417.8
2
467.1
1955.7
1.96
5.43
425.1
1779.9
1.78
4.94
281.0
3
364.9
1527.8
1.53
4.24
441.6
1849.0
1.85
5.14
271.9
4
370.4
1550.9
1.55
4.31
565.6
2368.2
2.37
6.58
254.0
5
397.8
1665.6
1.67
4.63
587.5
2459.9
2.46
6.83
Tabla 1. Información de irradiación de los días 1 al 5 en los meses de Julio y agosto de 1996.
312.0
Observemos que en el día 01 de Julio de 1996 (Tabla 1), el dato de 291.9
cal/cm2, equivalente a 1.22 kJ/cm2; lo cual se obtuvo de utilizar el valor de que 1 cal =
4.1868 J, es decir, se obtiene con la siguiente operación:
(291.9 cal/cm2 ) ( 4.1868 J)/ 1000 = 1.22 kJ/cm2
Página 38
Ahora para poder obtener este resultado en kWh/m2, es con la utilización de que
1 kWh es igual a 3600 kJ, además en m2, es igual a 10,000 cm2, por lo que con la
siguiente operación se obtiene el resultado de 3.39 kWh/m2:
(1.22 kJ / cm2)(1 kWh/ 3600 kJ) (10,000 cm2 / 1 m2) = 3.39 kWh/m2
Esto quiere decir que el día 1 de Julio de 1996, se obtuvo una irradiancia de 3.39
kWh/m2, promedio por ese día. Y si quisiéramos saber el equivalente a la conversión de
electricidad que sería convertida por esa cantidad de energía solar a través de un
sistema fotovoltaico, con la utilización de un panel fotovoltaico de un metro cuadrado
elaborado con fotoceldas de silicio monocristalino, estaríamos obteniendo que de los
3.39 kWh/m2, tendríamos una cantidad de 0.75 kWh/m2, promedio por cada hora de
ese día 1 de Julio. El promedio para los meses de Julio y Agosto de 1996, se observa
en la tabla 2.
SUMA
12238.0
51240.5
51.2
142.3
12084.2
50596.5
50.6
PROM
394.8
1652.9
1.7
4.6
389.8
1632.1
1.6
4.5
341.0
1427.6
1.4
4.0
MÁX
552.9
2315.0
2.3
6.4
587.5
2459.9
2.5
6.8
567.4
2375.7
2.4
6.6
MÍN
281.0
1176.5
1.2
3.3
211.7
886.4
0.9
2.5
191.6
802.2
0.8
2.2
140.5
10229.1
42829.2 42.8
119.0
Tabla 2. Promedios de irradiancia obtenida en los meses de julio y Agosto de 1996.
Ahora comparemos con los datos obtenidos en los mismos días de Julio y
Agosto pero ahora del año 2012, como se observa en la tabla 3:
JULIO
cal/cm
2
J/cm
2
AGOS.
KJ/cm
2
KWh/m
2
cal/cm
2
J/cm
SEPT.
2
KJ/cm
2
KWh/m
2
cal/cm
2
J/cm2
KJ/cm2
KWh/m2
167.9
703
0.70
1.95
474.4
1986
1.99
5.52
S/D
S/D
S/D
S/D
206.2
863
0.86
2.40
385.0
1612
1.61
4.48
315.6
1321
1.32
3.67
304.7
1276
1.28
3.54
262.7
1100
1.10
3.06
655.1
2743
2.74
7.62
277.3
1161
1.16
3.23
374.1
1566
1.57
4.35
441.6
1849
1.85
5.14
302.9
1268
1.27
3.52
301.1
1261
1.26
3.50
390.4
1635
1.63
4.54
Tabla 3. Información de irradiación de los días 1 al 5 en los meses de Julio y agosto de 2012.
SUMA
8866.3 37123.2 37.1
103.1
8669.6
36299.6
36.3
100.8
9095.6
38083.3 38.1
105.8
PROM. 286.0
1197.5
1.2
3.3
299.0
1251.7
1.25
3.5
336.9
1410.5
1.41
3.9
MAX.
377.7
1581.4
1.6
4.4
474.4
1986.3
2.0
5.5
655.1
2742.9
2.7
7.6
MIN.
156.0
653.2
0.7
1.8
111.3
466.0
0.5
1.3
220.8
924.5
0.9
2.6
Tabla 4. El Promedio para estos meses en este año 2012.
Página 39
Cabe señalar y debemos recordar que cada día posee una cantidad de horas de
insolación, ya que cada día varían respecto a la temporada del año en que nos
encontremos. Puesto que para otoño- invierno son menos horas de sol que en
primavera-verano. Ahora veamos las siguientes tablas, las cuales contienen los
promedios mensuales de datos de irradiación obtenida en los meses de Enero a Marzo
de años de 2005, 2012 y 2013 como su promedio diario del mes, el dato más alto y el
dato menor.
ENERO
cal/cm2
J
FEB.
Kj
KWh/m2
cal/cm2
J
MARZO
Kj
KWh/m2
cal/cm2
J
KWh/m2
Kj
SUMA 10025.1 41975.1 42.0 116.6
8760.7
36681.1
36.7 101.9
12622.4 52850.0 52.8 146.8
PROM 323.4
1354.0
1.4
3.8
312.9
1310.0
1.3
3.6
407.2
1704.8
1.7
4.7
MÁX.
395.9
1657.6
1.7
4.6
465.2
1947.8
1.9
5.4
543.8
2276.9
2.3
6.3
MÍN.
102.1
427.5
0.4
1.2
111.3
466.0
0.5
1.3
156.9
656.9
0.7
1.8
Tabla 5. Promedio de irradiación de los meses de Enero a Marzo de 2005.
ENERO
cal/cm
2
J
FEB.
Kj
KWh/m
2
cal/cm
2
MARZO
J
Kj
KWh/m
2
cal/cm
2
J
KWh/m2
Kj
SUMA
7589.1
31775.6 31.8
88.3
6284.7
26313.8
26.3
73.1
10860.2 45471.7 45.5 126.3
PROM
253.0
1059.2
1.1
2.9
224.5
939.8
0.9
2.6
350.3
1466.8
1.5
4.1
MÁX.
330.3
1383.0
1.4
3.8
408.7
1711.2
1.7
4.8
454.3
1902.2
1.9
5.3
MÍN.
135.0
565.2
0.6
1.6
67.5
282.6
0.3
0.8
164.6
689.2
0.7
1.9
ENERO
cal/cm
2
J
FEB.
Kj
KWh/m
2
cal/cm
2
MARZO
J
Kj
KWh/m
2
cal/cm
2
J
Kj
KWh/m2
SUMA 7276.9
30468.4
30.5
84.6
8145.4
34104.8
34.1
94.7
9174.2
38412.4
38.4
106.7
PROM 234.7
982.9
1.0
2.7
290.9
1218.0
1.2
3.4
327.7
1371.9
1.4
3.8
MÁX.
377.7
1581.4
1.6
4.4
377.8
1581.8
1.6
4.4
498.1
2085.5
2.1
5.8
MÍN.
102.2
427.9
0.4
1.2
178.8
748.6
0.7
2.1
83.9
351.3
0.4
1.0
El análisis respecto a los promedios obtenidos son los siguientes: Para el año
2005 se obtuvo un promedio trimestral de 4.03 kWh/m2 por día. Ahora en los últimos
años observamos una baja en cuanto a esta irradiancia en la Cd. de Morelia, Mich.
puesto que para el año 2012, se tiene un promedio trimestral de 3.2 kWh/m2 por día y
por último para el año de 2013, correspondiente a datos recientes, se obtuvo un
promedio trimestral de 3.3 kWh/m2 por día, podemos determinar que seguimos con
recurso apropiado para poder hacer la integración de sistemas fotovoltaicos, puesto que
Página 40
aún obtendríamos rendimientos apropiados en la generación de electricidad, mediante
esta técnica. Ahora continuaremos con los datos promedio mensual obtenidos en los
meses de Julio a Septiembre de los años 2005, 2010 y 2012. Este análisis es con la
única y exclusiva propuesta de ver que tanta diferencia existe en diferentes temporadas
del año. Así pues, continuemos con los datos en mención:
JULIO
cal/cm2
J
AGOS.
Kj
KWh/m2
cal/cm2
J
SEPT.
Kj
KWh/m2
cal/cm2
J
KWh/m2
Kj
SUMA
9959.3
36268.2 36.3 100.7
8652.9
36229.7
36.2 100.6
10268.1 42992.5
43.0 119.4
PROM
343.4
1394.9
1.4
3.9
309.0
1293.9
1.3
3.6
342.3
1433.1
1.4
4.0
MÁX.
490.8
2016.9
2.0
5.6
509.0
2131.2
2.1
5.9
530.9
2222.9
2.2
6.2
MÍN.
202.5
847.9
0.8
2.4
133.2
557.7
0.6
1.5
222.6
932.0
0.9
2.6
Tabla 8. Promedio de irradiación de los meses de Julio a Septiembre de 2005.
JULIO
cal/cm2
SUMA
8575.7
J
AGOS.
Kj
KWh/m2
cal/cm2
J
SEPT.
Kj
KWh/m2
cal/cm2
J
Kj
KWh/m2
35906.3 35.9 99.7
10121.3 42378.0
42.4
117.7
8251.3
34548.2
34.5
96.0
PROM 285.9
1196.9
1.2
3.3
361.5
1513.5
1.5
4.2
294.7
1233.9
1.23
3.4
MÁX.
456.2
1909.9
1.9
5.3
536.5
2246.1
2.2
6.2
456.0
1909.3
1.9
5.3
MÍN.
162.4
679.9
0.7
1.9
195.2
817.4
0.8
2.3
162.4
679.9
0.7
1.9
JULIO
cal/cm
2
J
AGOS.
Kj
KWh/m
2
cal/cm
2
J
SEPT.
Kj
KWh/m
2
cal/cm
2
J
Kj
KWh/m2
SUMA
8866.3
37123.2 37.1 103.1
8669.6
36299.6
36.3
100.8
9095.6
38083.3
38.1
105.8
PROM
286.0
1197.5
1.2
3.3
299.0
1251.7
1.25
3.5
336.9
1410.5
1.41
3.9
MÁX.
377.7
1581.4
1.6
4.4
474.4
1986.3
2.0
5.5
655.1
2742.9
2.7
7.6
MÍN.
156.0
653.2
0.7
1.8
111.3
466.0
0.5
1.3
220.8
924.5
0.9
2.6
El análisis correspondientes para el trimestre de Julio a Septiembre de los años
en mención (ver tablas 8, 9 y 10), observamos que: ara lo correspondiente al año 2005,
se obtuvo un promedio trimestral de 3.83 kWh/m2
por día. Para el año 2010 el
promedio fue de 3.63 kWh/m2 por día. Y por último para el año 2012, en este trimestre
de Julio a Septiembre fue de 3.56 kWh/m2 por día, como se menciono anteriormente
aún es conveniente la aplicación de los sistemas fotovoltaicos considerando esta
irradiancia en esta Ciudad de Morelia, Mich.
Página 41
Para concluir con este análisis, ahora estudiemos los datos correspondientes al
promedio de irradiancia promedio mensual y anual de la información, como se había
mencionado anteriormente, esta información corresponde desde Julio de 1999 hasta el
mes de abril de 2013; pero para esta información, existe un dato importante que
señalar, la información se comenzó a normalizar a partir del año 2004, puesto que los
años anteriores no fue muy estable, es decir, los datos obtenidos no fueron constantes,
para cada mes, inclusive hay meses completos sin datos de irradiancia. Por esta razón,
es por esto que a partir de este año de 2004 que haremos este análisis. Cabe señalar
como bien se había mencionado con anterioridad que los datos que se nos
proporcionaron y mejor dicho son los datos que en el Centro de Previsión Meteorológico
de Morelia, utilizan son en cal /cm2, J/cm2 y kJ/cm2, por lo que a mi correspondió hacer
la conversión a los kWh/m2, que es en si la unidades requeridas, para nuestro estudio.
Por lo que a continuación se muestran los datos promedio mensual y anual por día,
como se observa en la Tabla 11:
AÑO
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Enero
2.9
3.8
3.6
2.9
3.5
3.4
2.7
3.4
2.9
2.7
Febrero
4.5
3.6
4.4
4.1
4.2
4.4
3.3
3.3
2.6
3.4
Marzo
4.6
4.7
4.6
4.3
4.5
4.4
4.5
4.2
4.1
3.8
Abril
4.9
5
5.2
4.5
4.7
3.9
5
4.5
4.3
3.1
Mayo
4.6
5.1
4.5
4.2
4.8
4.2
4.6
4.6
4.2
Junio
3.9
4.8
4.6
3.7
4.2
4.1
3.3
4.2
3.6
Julio
4.1
3.9
3.8
3.9
3.9
4.3
3.3
3.2
3.3
Agosto
3.8
3.6
3.5
3.8
3.8
4
4.2
3.6
3.5
Sept.
3.2
4
3.1
3.7
3.3
2.8
3.4
4.2
3.9
Oct.
3.5
3.8
3.3
4.1
3.3
3.1
4
3.7
3.8
Nov.
3.7
4.1
3.4
3.6
3.8
3.3
2.9
2.8
3
Dic.
3.4
3.7
3.4
3.6
3.5
3.2
3.3
3.2
2.9
3.95
3.86667
3.95833
3.75833
3.70833
3.74167
3.50833
P. Anual 3.925
4.175
3.25
Tabla 11. Promedio mensual y promedio anual (kWh/m2 día).
Podemos observar que la irradiancia o la cantidad de energía que se recibe en
la Ciudad de Morelia, Mich. Es aproximadamente entre los 4 kWh/m2, así pues
podemos decir que es una cantidad considerable para poder hacer uso de la tecnología
en lo referente a sistemas fotovoltaicos. Otro punto importante con respecto del
promedio de irradiancia que se tiene en México, que es de 5 kWh/m2.
Página 42
4. Conclusión
Los análisis realizados a la información proporcionada, han sido de gran ayuda para
avanzar en lo relacionado a la integración de sistemas fotovoltaicos, puesto que es una
información confiable. Con esta información también se pudo analizar que hoy en día es
de suma importancia contar con ella, pues sabiendo los recursos disponibles en materia
de radiación solar o irradiancia, nos permite poder tomar decisiones y también poder
orientar en este ámbito que cada día se va abriendo más puertas a lo largo de no solo
de nuestra ciudad sino del país entero. Es sumamente importante señalar que sin los
datos aquí mostrados no teníamos de una forma confiable información referente al área
solar. Por último recordemos que el Sol sale para todos y aprovecharnos de este no
perjudica a nadie al contrario nos beneficia a todos.
Referencias
[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica. Consultado el 26
abril del 2013.
[2] Antonia Lecue (2012), Situación actual de la energía solar fotovoltaica en el mundo
según el Plan de Energías Renovables PER 2011-2020, consultado el 12 abril de 2013
en www.suelosolar.es /newsolares.
[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Morelia. Consultado el 26 de abril de 2013.
[4] Ramírez Bon, Rafael, (2012). Integración de Sistemas Fotovoltaicos, Intensidad de
Irradiancia en México. Consultado en marzo 2012.
Página 43
Determinación y Análisis de las propiedades mecánicas a la tensión
del acero AISI SAE 5160H utilizado en la fabricación de muelles
semielipticas
M.C. Francisco Rene Cayetano Polito 1, M.C. Pedro Humberto Iglesias Álvarez2,
M.C. Rafael González Díaz3
1
Mantenimiento Área Industrial, Universidad Tecnológica del Sureste de Veracruz – Av.
Universidad Tecnológica, Lote Grande #1, S/Colonia, Nanchital de Lázaro Cárdenas del
Rio, Veracruz, México, CP. 96360. Tel. 2110160, ext. 2012, e-mail:
1
[email protected]
2
2
[email protected]
3
3
[email protected]
Resumen
En el presente trabajo se muestran resultados obtenidos del estudio de propiedades
mecánicas a la tensión del acero AISI SAE 5160H utilizado en la fabricación de muelles
semielipticas. Se comparan resultados obtenidos para material sin y con tratamiento
térmico, lo cual permite analizar el mejoramiento de las propiedades mecánicas. La
caracterización de los aceros se realizó mediante ensayos mecánicos de tracción y
dureza. Se analiza la microestructura del acero para determinar tamaño de grano y
porcentaje de fases. Se concluye que las propiedades mecánicas sí mostraron una
mejora significativa en función de su tamaño de grano, cambio de estructura
metalográfica y tratamiento térmico.
Página 44
Palabras claves
Muelles Semielipticas, Propiedades Mecánicas, Análisis Metalográfico.
1. Introducción
En una gran cantidad de maquinaria y en muchas otras aplicaciones, la presencia de
fuerzas generan esfuerzos y deformaciones, los cuales son generalmente la
consecuencia de las fallas provocadas en los materiales que conforman las estructuras
de los elementos mecánicos, por lo tanto, es necesario que esos esfuerzos y
deformaciones sean absorbidos y que esta energía asimilada no afecte el material ni el
desempeño de esta maquinaria. Para ello existen las muelles que son elementos
mecánicos capaces de soportar altos esfuerzos y con una gran capacidad de
deformación elástica que almacenan energía y se desprenden de ella sin sufrir
deformaciones permanentes cuando cesa el esfuerzo al que se le somete, sosteniendo
el peso del vehículo, los impactos que sufren las ruedas al chocar sobre los baches y
las irregularidades del terreno [1].
Las muelles son fabricadas en diferentes dimensiones, distintas formas y
composición química, es importante mencionar, que uno de los materiales de mayor
utilización en los muelles es el acero aleado por su gran templabilidad y trabajo en
caliente [2].
Este estudio se realiza en dos partes: la primera es una caracterización
metalográfica del acero AISI SAE 5160H usado en la fabricación de las muelles
semielípticas analizadas en este proyecto. En la segunda parte se realizan ensayos
mecánicos a la tensión utilizando una maquina servo-hidráulica MTS 810 y una
máquina universal GALBADINI, así como también, pruebas de dureza utilizando un
durómetro Rockwell digital.
Página 45
Este trabajo tiene como objetivo analizar las propiedades mecánicas a la tensión,
dureza y estructura metalográfica del acero AISI SAE 5160H, el cual es utilizado en la
fabricación de muelles semielípticas, las cuales son utilizadas por el transporte
automotriz y con ello mejorar el desempeño de estos elementos mecánicos durante su
tiempo de servicio y cumplir así la garantía que el fabricante otorga.
2. Desarrollo
El maquinado de las probetas de tensión, se llevó a cabo siguiendo la norma ASTM A
370 – 68, Standard Rectangular Tension Test Specimens, el material utilizado fue un
acero AISI SAE 5160H utilizado en la fabricación de muelles semielípticas, tres sin
tratamiento térmico y tres con tratamiento térmico.
El tratamiento térmico de templado y revenido a las probetas para los ensayos
de tensión del acero AISI SAE 5160H, se realizó en una empresa de la región,
utilizando un horno para el templado y otro horno para el revenido, los parámetros
utilizados en este proceso se muestran en la tabla 1.
Tabla 1. Parámetros utilizados en el proceso de tratamiento térmico de temple.
Los ensayos de tensión para el acero AISI SAE 5160H, con probetas sin
tratamiento térmico fueron realizados utilizando una máquina servo-hidráulica MTS 810
y capacidad de 100KN.
Los ensayos de tensión para el acero AISI SAE 5160H, con probetas tratadas
térmicamente, fueron realizados utilizando una máquina universal GALBADINI con
Página 46
capacidad de 500 KN, siendo la escala utilizada de 250 KN para realizar los ensayos y
a una velocidad constante de la carga de 1.5mm/min.
Los ensayos de dureza se realizaron con acero AISI SAE 5160H tratado
térmicamente con temple y revenido y sin tratamiento térmico. Estos ensayos se
tomaron en sentido longitudinal y transversal de acuerdo a la norma ASTM E 18 - 98
“Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Material” [19].
Las dimensiones de la muelle a examinar, en este caso, la cuarta hoja del juego
de muelles tratada térmicamente, fueron las siguientes: 12mm de espesor, 64mm de
ancho y
610mm de largo, de la cual se obtuvieron las probetas para realizar los
ensayos de dureza. La figura 1 muestra la muelle seccionada.
Figura 1. Muelle seccionada (cuarta hoja).
Para la preparación de las muestras metalográficas se siguió el método descrito
en la norma ASTM E 3 – 98
[20]
“Preparation of Metallographic Specimens”. Las
muestras fueron cortadas, montadas en resina fenólica, desbastadas y pulidas
siguiendo las directrices allí indicadas. El ataque se realizó por inmersión en el reactivo
Nital para las observaciones microscópicas [6,7].
Las observaciones microscópicas se realizaron en dos etapas, en la primera se
analizaron los defectos superficiales que se formaron durante el proceso de fabricación
de la muelle, así también, se observaron cada una de las probetas durante su proceso
de desbaste y pulido para cerciorarse que éste fuese realizado de manera uniforme y
sin ralladuras profundas. Esto se logró con el microscopio estereoscópico.
En la segunda etapa, ya con las probetas atacadas químicamente, se utilizó para
el análisis metalográfico un Microscopio Analizador de Imágenes marca NIKON, modelo
Página 47
ECLIPSE L150 y un software OMNIMET ENTREPRISE VERSION 5.0. De acuerdo a la
norma ASTM E 112 – 98 [21] “Estimating the average grain size of metals”.
Este software reveló características metalográficas tales como: inclusiones no
metálicas, tamaño de grano y porcentaje de fases. El software mediante rutinas
encuentra un patrón que coincida con la muestra en estudio y entonces designa el
tamaño de grano del metal por el número correspondiente al número índice del patrón
coincidente. Las microfotografías obtenidas fueron a 50, 100, 200 y 500 aumentos.
3. Resultados
La comparación de los resultados obtenidos en los ensayos de tracción para el acero
AISI SAE 5160H con y sin tratamiento térmico se analizan en la tabla siguiente.
CARACTERISTICAS
ACERO AISI SAE 5160H SIN TRATAMIENTO
TERMICO
No. 1
No. 2
No. 3
ACERO AISI SAE 5160H CON TRATAMIENTO
TERMICO
Promedio
No. 1
No. 2
No. 3
Promedio
ESFUERZO DE FLUENCIA (MPa)
558.99
538.57
556.99
551.52
1035
1050
1035
1040
ESFUERZO ULTIMO (MPa)
910.35
888.67
905.57
901.53
1115
1135
1170
1140
5.13
4.99
5.2
5.1
9.2
9.5
9.6
9.43
30.01
29.6
29.68
29.76
32.78
33.84
34.12
33.58
% DE ELONGACION
% DE REDUCCION DE AREA
Tabla 2. Comparación de los resultados obtenidos en los ensayos de tracción del acero AISI SAE 5160H
con y sin tratamiento térmico.
El esfuerzo de fluencia encontrado para el acero AISI SAE 5160H sin tratamiento
térmico fue de 551.52 MPa y con tratamiento térmico fue de 1040 MPa. El cambio
significativo de este valor se debe al tratamiento térmico, logrando en el material una
importante mejora en sus propiedades mecánicas.
El porcentaje de alargamiento para el acero AISI SAE 5160H sin tratamiento
térmico fue de 5.1 y con tratamiento térmico de 9.43.
El porcentaje de reducción de área para el acero AISI SAE 5160H sin tratamiento
térmico fue de 29.76 y con tratamiento térmico de 33.58.
Página 48
Con el aumento en el porcentaje de alargamiento y reducción de área, le
permiten al material que trabaje a cargas mayores debido al aumento de su propiedad
mecánica llamada Resiliencia.
Los valores promedio encontrados en las mediciones de dureza para las
secciones de la muelle mostrada en la figura 1 en sentido longitudinal y transversal se
muestran en la tabla 3. La tabla 4 muestra los valores promedio y la comparación de
estos valores con respecto a la norma ASTM.
# SECCION
2
TRANSVERSAL
LONGITUDINAL
HRC 39.33
HRC 39.66
7
HRC 37.73
HRC 41.93
5
HRC 43.06
HRC 41.84
SUPERFICIE DEL BARRENO
xxxx
HRC 44.64
Tabla 3. Valores promedios de dureza de varias secciones
Espécimen
Valor promedio de dureza Rockwell "C"
Sin tratamiento térmico
HRC 25.75
Con tratamiento térmico
HRC 41.17
Referencia consultada ASTM
HRC 40-45
Tabla 4. Resultados de los ensayos de dureza
Los valores de la dureza promedio para el acero en material sin tratamiento
térmico fue de 25.75 HRC, mientras que para el acero tratado térmicamente fue de
41.17 HRC, que al comparar este último resultado con lo que marca la norma ASM,
encontramos que el acero tratado térmicamente sí cumple con las especificaciones
requeridas.
El aumento de dureza en acero tratado térmicamente se debe al cambio de
estructura metalográfica de ferrita y perlita a martensita, tal como se muestra en la
figura 2. Lo anterior tiene influencia en el aumento del comportamiento elástico lineal
de la muelle.
Página 49
Figura2. Microfotografía que muestra las estructuras metalográficas de ferrita, perlita y martensita del
acero 5160H con tratamiento térmico (50X).
El tamaño de grano se determinó utilizando el software OMNIMET ENTERPRISE
versión 5.0 por medio de la subrutina 2 (Tamaño de Grano). El programa grabó la
imagen y delineó los límites de grano y proporcionó el tamaño de grano en base a la
norma ASTM 112 -98 “Estimating the average grain size of metals”, (ver figura 3).
Figura 3. Micrografía del acero 5160H con ataque químico, con aplicación de la subrutina para
determinar el tamaño de grano. (100 X).
Página 50
El valor promedio del tamaño de grano encontrado para el acero AISI SAE
5160H con tratamiento térmico fue de 15.3056, (ver figura 4).
Figura 4. Gráfica ASTM, que nos indica el tamaño de grano para el acero 5160H.
El tamaño de grano sí cumple con las especificaciones establecidas, así como
también la ficha técnica de certificado de calidad del fabricante del acero AISI SAE
5160H de acuerdo a la norma ASTM 112-98 “ESTIMATING THE AVERAGE GRAIN
SIZE OF METALS.
El porcentaje de fases se obtuvo a través del software OMNIMET ENTERPRISE
versión 5.0, por medio de la subrutina 3 (porcentaje de fases). El programa grabó las
imágenes y determinó las fases de acuerdo con las micrografías tomadas.
Los valores de los porcentajes de fases encontrados para el acero AISI SAE
5160H tratado térmicamente revelaron un valor promedio de 36.6316% de ferrita y
63.3684% de perlita.
En la figura 5 se observa la microfotografía del acero 5160H con tratamiento
térmico al aplicarle la subrutina para determinar el porcentaje de fases presentes y en la
figura 6 se muestra la gráfica que nos indica el porcentaje de fases presentes.
Página 51
Figura 5. Micrografía del acero 5160H, con aplicación de la subrutina para determinar el porcentaje de
fases, Ferrita (azul claro). Perlita (azul obscuro) (500X).
Figura 6. Gráfica que nos indica los porcentajes de fases presentes.
En la gráfica podemos notar que el porcentaje de perlita es más elevado que el
porcentaje de ferrita, dando como resultado una mayor transformación de martensita en
el proceso de templado y mejorando las propiedades mecánicas del acero.
4. Conclusiones
1.- La dureza encontrada para el acero AISI SAE 5160H sin tratamiento térmico fue de
25.75 HRC y con tratamiento térmico fue de 41.17 HRC. Este aumento de dureza
mejora las propiedades mecánicas y cumple con la norma ASTM.
2.- Se observa una mejora significativa en la dureza, esto indica que se logra un mayor
porcentaje de transformación de perlita en martensita y además, se incrementó su
comportamiento lineal elástico.
Página 52
3.- El tamaño de grano encontrado es de 15.3056 cumpliendo con la norma ASTM E
112-98, favoreciendo esto su propiedad mecánica a la tracción.
4.- El mejoramiento de las propiedades mecánicas del acero AISI SAE 5160H después
del tratamiento térmico mejoraron significativamente en función de su tamaño de grano
y cambio de su estructura metalográfica.
5.- Con el aumento en el porcentaje de alargamiento y reducción de área, le permiten
al material que trabaje a cargas mayores debido al aumento de su propiedad mecánica
a la resiliencia.
6.- El esfuerzo de fluencia encontrado para el acero AISI SAE 5160H sin tratamiento
térmico fue de 551.52 MPa y con tratamiento térmico fue de 1040 MPa. Este
incrementó del valor del esfuerzo de cedencia mejora el comportamiento lineal elástico.
7.- En vista de los resultados obtenidos, se concluye que las propiedades mecánicas
determinadas con la caracterización del acero AISI SAE 5160H, se obtienen resultados
aceptables en función al comportamiento de las muelles semielípticas en servicio,
proporcionando seguridad, eficiencia
y garantía para los usuarios de la industria
automotriz.
Referencias
[1] Carrión, F.J. del Valle, A. y Terán, J., (1996), “Efecto de la Rugosidad de las
Carreteras en el daño a Vehículos”; Publicación técnica no. 139; Sanfandilla, Qro
2000.
[2] José Apraiz Barreiro, “Aceros Especiales y Otras Aleaciones”, Editorial Dossat,
Quinta Edición.
[3]A. Malishev, G. Nokolaiev y Shuvalov, “Tecnología de los Metales”, Editorial Mir
Moscú.
Página 53
[4] Scientia et Technica Año X, No 24, Mayo 2004. UTP. ISSN 0122-1701 – “La
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Graw Hill, 2004.
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Editorial Limusa. Primera Edición.
[11] J.C. Anderson, K.D. Leaver, R.D. Rawlings y J.M. Alexander, “Ciencia de los
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[13] A. P. Guliáev, “Metalografía tomo 1”, Editorial Mir Moscú.
[14] A. P. Guliáev, “Metalografía tomo 2”, Editorial Mir Moscú.
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[15] ASM HANDBOOK VOLUMEN 1 “Propierties and Selection: Irons, Steels, and
High Performance Alloys”; 1993.
[16] ASM HANDBOOK VOLUMEN 8 “Mechanical Testing”; 1992.
[17] ASM HANDBOOK VOLUMEN 9 “Metallographic and Microstructures”; 1992.
[18] ASM HANDBOOK VOLUMEN 10 “Materials Characterization”; 1992.
[19] Norma ASTM E 18 - 98 “Methods of Test for Rockwell Hardness and Rockwell
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[20] Norma ASTM E 3 – 98 “Preparation of Metallographic Specimens”.
[21] Norma ASTM E 2 – 98 “Preparation of Micrographs of Metals and Alloys”.
[22]Norma ASTM E 112 – 98 “Estimating the Average Grain Size of Metals”.
Página 55
Caracterización de un sistema de absorción energizado mediante
energía solar
Iván Josué Valencia Gómez1, Francisco Delgadillo López 2, Agustín Salvador
Morales3
1,3
División de Sistemas Productivos / Universidad Tecnológica de San Juan del Río/
Col. Vista Hermosa, Av. La Palma 125, San Juan del Río, Qro., C. P. 76800, México
Tel. 427 1292000 ext. 246
1
2
[email protected], [email protected]
Universidad Tecnológica de la Zona Metropolitana de Guadalajara Jalisco, Carretera
Tlajomulco de Zúñiga-San Isidro Mazatepec. Km 4,5 - Col. Santa Cruz de las Flores,
C.P. 45640
2
[email protected]
Resumen
En el presente trabajo se analizó un sistema de refrigeración Amoniaco-Agua mediante
el acoplamiento de un banco fotovoltaico variable; 370 W, 320 W, 270 W, 260 W, 220
W, 210 W, 160 W y 150 W, con el fin de establecer los parámetros de operación del
sistema que permitan posteriormente realizar un análisis de costo beneficio para el
escalonamiento a sistemas comerciales. Los resultados muestran que se requiere de
una potencia fotovoltaica mínima de 150 W, para que el sistema de refrigeración llegue
a una temperatura de 4°C.
Palabras clave:
Energía solar, Panel fotovoltaico, Absorción, Refrigeración.
1. Introducción
Con el transcurso de los años ha ido creciendo el uso de fuentes de energía
alternativa, la solar es una de ellas, La refrigeración es una de las aplicaciones que más
ha llamado la atención debido a la importancia que presenta. La posibilidad de usar un
sistema de refrigeración por absorción amoniaco-agua que utiliza la energía solar
Página 56
fotovoltaica como fuente alterna para su operación (Ishaya, 2010). Los sistemas de
refrigeración por absorción a pesar de que utilizan energía económica como lo es la
combustión del gas natural, presentan el inconveniente de trabajar con un coeficiente
de operación (COP) muy bajo (Bula S., Luz Herrara, Navarro, Corredor, & Peña, 2000).
Para que este ciclo pueda operar apropiadamente es necesaria una fuente de calor que
permita alcanzar una temperatura mínima 120ºC dentro del generador de vapor de
amoníaco (Esquivel, Busso, Sogari, & Franco, 2006).
El principio de absorción está proporcionando la diferencia necesaria de la presión
entre la vaporización y los procesos de condensación, que alternativamente condensa
bajo alta presión en el condensador rechazando calor al ambiente y se vaporiza a
presión baja, absorbiendo calor del medio que es refrigerado (Kong, Liu, Zhang, He, &
Fang, 2010). El ciclo de absorción incluye dos etapas de presurización, una de las
cuales corresponde a la evaporación y la gama de absorción, el otro corresponde a la
generación y la gama de condensación (Tsujimori & Ohnuki, 2011), (Beltran, 2007). La
capacidad de enfriamiento de una máquina de refrigeración por absorción, aumentará a
medida que aumente la razón a la cual el vapor es extraído del evaporador. De lo que
se deriva que la principal función del absorbedor en el ciclo es absorber totalmente los
vapores refrigerantes (Cisneros Ramírez., 2002). En ciclos cascada de baja
temperatura amoniaco-agua se consiguen valores de C.O.P. de 0,5 y pueden
alcanzarse máximos de 0,8 (Cano Marcos, 2001). El costo de producir el trabajo
mecánico necesario para obtener un kW de refrigeración por ciclo de compresión
mecánica de vapor es normalmente superior al costo necesario para recuperar la
cantidad de calor a aplicar para obtener el mismo kW en un ciclo de absorción
(Kairouani & Nehdi, 2005). El costo de la energía es un factor que determina la posible
competitividad de los sistemas de absorción frente a los de compresión mecánica
utilizando varias fuentes de energía.
2. Materiales y métodos.
2.1 Equipamiento del prototipo
En el análisis y caracterización del sistema de refrigeración energizados por un
sistema fotovoltaico se utilizaron tres paneles solares marca Energy Q50 PI de 50 W y
Página 57
dos paneles solares mono-cristalinos marca Yingli YL110W de 110 W, conectados en
paralelo para lograr incrementar la capacidad de corriente. Una batería marca Prevailer
PV27DC ciclo profundo a 86 A/h, fueron conectadas en paralelo para aumentar al doble
el tiempo de descarga. Así mismo los paneles fotovoltaicos y la batería se conectan a
un controlador de carga-descarga marca Syscom de 12 VCD-20 A, ahí mismo se
conecta un inversor de voltaje marca Vector VEC050C de 1500W de potencia, con el
objetivo de obtener una señal VCA y energizar el sistema de refrigeración por absorción
amoniaco-agua, como se muestra en la figura 1.
Figura 1 Diagrama eléctrico de sistema Fotovoltaico-Absorción.
2.2 Instrumentación
Para la caracterización fue necesario la utilizar diversos equipos capaces de medir y
registrar datos en una computadora en cada punto del sistema donde hay una
trasformación de la energía o carga,
como son: La radiación directa solar(ISun),
intensidad de corriente a la salida de la batería (IBat), la corriente en la salida de los
paneles solares (IPv), y la corriente en la salida del inversor del sistema fotovoltaico
(IInv).La temperatura en el contenedor de evaporador (TEv), en la bomba de calor (Tbc) y
la temperatura ambiente (Tam).Para medir dichos parámetros, se usaron los siguientes
equipos: Estación meteorológica (Davis Vantaje Pro®), ubicada en la UTSJR y forma
parte de la red de estaciones de la CEA del estado de Querétaro, dos multímetros
Página 58
marca Minipa, modelo ET 2907 y otro marca Steren, modelo MUL-600 que permiten
adquirir datos por medio de una interfaz de comunicación hacia la PC. Para las
temperaturas se usó un Data MultiLog, que es un equipo que permite la adquisición de
datos y puede medir diferentes variables con diferentes sensores, para este
experimento se usaron sensores de temperatura tipo J con un rango de operación de 25°C a 110°C
Figura 2 Diagrama esquemático de puntos de evaluación de
transformación.
2.3 Metodología de experimentación
Se energiza el sistema mediante radiación solar, posteriormente mediante el arreglo
de paneles fotovoltaicos que se pudieran conectar y desconectar para ir controlando el
área de captación de radiación solar, esto nos permite hacer variaciones con la
potencia del sistema en la tabla 1 se muestra el arreglo.
En la ecuación 1 se define la eficiencia en la transformación solar fotovoltaica; la
eficiencia en la transformación fotovoltaica inversor es la ecuación 2 y la ecuación 3 la
solar absorción.
Página 59
Tabla 1 Conexión-desconexión de PV.
𝑃𝑃
𝜂𝜂𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 −𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃
(1)
𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
Donde 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 = (𝐼𝐼𝑃𝑃𝑃𝑃 ∗ 𝑉𝑉𝑃𝑃𝑃𝑃 ) 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊
Psun=[Radiación directa solar (W/m2)/Área de paneles fotovoltaicos (m2)] Watts
𝜂𝜂𝑃𝑃𝑃𝑃−𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 =
(2)
𝑃𝑃𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼
𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
Donde 𝑃𝑃𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 = (𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 ∗ 𝑉𝑉𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 ) 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊
𝜂𝜂𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 −𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 =
𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴
𝑃𝑃𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
Donde 𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 = (𝐼𝐼𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ∗ 𝑉𝑉𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 ) 𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊𝑊
(3)
(4)
Coeficiente de operación
Los sistemas de refrigeración se pueden considerar como un sistema reversible
perfecto, el efecto de refrigeración neta es el calor absorbido por el refrigerante en el
evaporador (Kong, Liu, Zhang, He, & Fang, 2010). Teóricamente el COP (Stoecker &
Jones, 1982) esta dado por:
𝑇𝑇 (𝑇𝑇 −𝑇𝑇 )
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝑇𝑇𝑒𝑒 (𝑇𝑇𝑏𝑏 −𝑇𝑇𝑎𝑎 )
𝑏𝑏
𝑎𝑎
𝑒𝑒
(5)
Página 60
Donde Te = Temperatura en el evaporador, Tb = Temperatura en el boiler, Ta =
Temperatura ambiente
Eficiencia Solar de enfriamiento
Para comparar dos métodos desde un punto de vista de eficiencia es necesario
definir un término llamado eficiencia de refrigeración solar (Solar Cooling Efficiency;
SCE) (Ishaya, 2010).
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 = 𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 × 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶
(6)
Donde EPS = Eficiencia del Panel Solar = 𝜂𝜂𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 −𝑃𝑃𝑃𝑃
COP = Coeficiente de Operación
3. Resultados
Los resultados obtenidos al variar el área de captación fotovoltaica se muestran en la
Figura 3. La experimentación se realizó el día 4 de abril del 2012 en la Universidad
Tecnológica de San Juan del Rio, Qro. Con una latitud de 21.5°, comenzando a las
11:20 horas, con una potencia instalada en los PV de 370 W, durante los primeros 5
minutos de haber conectado el sistema se estabilizó y comenzamos a desconectar PV
en intervalos de 15 minutos como
muestra la tabla 1. Los resultados
de
esta
experimentación
se
muestran en la gráfica 1 en
donde la potencia PV permanece
en un rango de 90 W a137 W lo
cual
es
congruente
con
la
potencia requerida por el sistema
de
refrigeración
aproximadamente
que
de
100
es
W
(Figura 4), la cual la provee el
Figura 3. Energía solar con PV variable.
Página 61
inversor (línea azul punteada, Figura 3) y su potencia es constante debido a que la
carga térmica en el boiler es constante. El experimento inicia con la batería totalmente
cargada y los valores oscilan entre los -55 W y -15 W (línea negra punteada, Figura 3),
el valor negativo indica que está absorbiendo energía debido a que la radiación solar no
provee suficiente energía para alimentar al mismo tiempo la batería y el sistema de
refrigeración.
Figura 4. Eficiencia de transformación del sistema global.
La Figura 4 muestra la eficiencia de transformación solar fotovoltaica permanece
constante debido a que relaciona las propiedades de los materiales de construcción de
la celda fotovoltaica. La transformación fotovoltaica-inversor (línea azul punteada,
Figura 4) aumenta al final del experimento debido a que en un inicio se cuenta con
mucha energía disponible de las celdas fotovoltaicas (370 W) y se requiere una energía
mínima como se muestra en el Figura 3 (100 W), en el inversor por lo tanto se tienen
grandes desperdicios de energía, al final del experimento la energía proveída por las
celdas fotovoltaicas (150 W) es aprovechada en su totalidad incrementando así la
eficiencia, en la cual se considera la energía Fotovoltaica y la proveída por las baterías.
En la eficiencia solar-absorción (línea verde punteada, Figura 4) se muestra una
Página 62
tendencia constante pero después de dos horas con diez minutos, baja la radiación
solar por un lapso de cinco minutos por tal motivo aumenta la eficiencia. Lo que
respecta a la eficiencia solar de enfriamiento (línea negra punteada, Figura 4) es el
producto de multiplicar la eficiencia solar fotovoltaica con el COP, el cual muestra un
comportamiento al principio de la prueba valores altos, debido a un coeficiente de
operación elevado, conforme pasa el tiempo el SCE se estabiliza (Figura 4) en
consecuencia a la estabilización en las temperaturas en el boiler y el evaporador.
Figura 5. Potencia requerida para operación.
La Figura 5 muestra el comportamiento de la potencia consumida durante toda la
prueba que es en promedio de 100 W.
La siguiente Figura se observa el comportamiento de la temperatura dentro de la
cámara durante la prueba que duro 12 horas, La temperatura ambiente mostrada con
“X” en la Figura 6, en un determinado lapso de tiempo tiene un pico de 10 °C en
relación a la temperatura inicial, por lo cual afecta temperatura del sistema.
Página 63
Figura 6. Evolución térmica del sistema de refrigeración.
4. Conclusiones
Se lograron evaluar las diferentes configuraciones de conexión de los paneles solares
encontrando que 150 W es la mínima potencia fotovoltaica requerida para el
funcionamiento del sistema de refrigeración acoplado. Se determinaron las relaciones
de transformación para caracterizar el sistema completo, permitiendo entender las
pérdidas de energía en los principales equipos insertados.
Las temperaturas obtenidas en el sistema de refrigeración permiten concluir que el
sistema de refrigeración puede ser escalable a un nivel comercial debido a que se
alcanzó la temperatura promedio de 4 °C en 2 horas 45 min, como se muestra en la
Figura 6.
Página 64
Referencias
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Yunus A. Cengel, M. A. (2009). Termodinámica (Sexta ed.). México: Mc Graw Hill.
Página 66
Monitoreo de condición, en el análisis de un sistema eléctrico
industrial
José Trinidad Rolón Salazar1, Gabriel Lizárraga Velarde2 Joel Jasso Morales3
1, 2, 3
Universidad Tecnológica de Tijuana – Km. 10 carretera Tijuana Tecate, Fracc. El
Refugio, Quintas Campestre, Tijuana, B.C., 22500. México
1
[email protected],[email protected],[email protected]
Resumen
El sistema eléctrico industrial precisa múltiples variables y condiciones de equipos para
verificar, en el presente trabajo se abordará parte de esas variables que pueden permitir
en un momento dado observar las condiciones de operación del sistema eléctrico
industrial. El avance de la tecnología, actualmente se cuenta con equipo de monitoreo
que prácticamente está realizando un escaneo a cualquier tipo de aparato y sistema
eléctrico, reduciendo en gran medida, después del diagnóstico, la frecuencia de fallas y
dando mayor seguridad a las instalaciones eléctricas industriales en
baja tensión
(Francisco, 1976). Las tendencias de las variables eléctricas pueden dar la pauta para
planear diferentes alternativas de mejora que pueden aumentar considerablemente la
confiabilidad del sistema eléctrico, es conocido que la energía eléctrica es primordial
para todos los procesos de producción donde intervienen infinidad de equipos para
satisfacer la demanda de alumbrado, aire acondicionado, fuerza motriz y demás cargas
eléctricas (Jose, Gabriel, & Gerardo, 2010).
Palabras claves
Análisis, cargabilidad, condición, monitoreo, potencia, sistema eléctrico, tendencia.
1. Introducción
El equipo Analizador de Calidad de la Energía Eléctrica Trifásica PowerPad modelo
3945 del fabricante AEMC será el auxiliar para poder explicar en forma explícita las
condiciones de diferentes sistemas pertenecientes a procesos industriales diversos. Se
presenta un estudio de caso donde con la simple observación de las tendencias de
potencia real, potencia aparente y potencia reactiva, dadas en secuencia en kW, kVA y
Página 67
kVAR se tendrá un espectro del comportamiento del sistema eléctrico y detectar
oportunidades de mejoras o simplemente la detección de posibles fallas dentro del
sistema de distribución eléctrica.
Las características básicas de los transformadores de corriente del tipo flexible
con la capacidad de poder tener un rango de hasta 3000 amperes y las puntas de
prueba a un voltaje de monitoreo de 5 a 960 volts. Con las configuraciones para poder
monitorear sistemas trifásicos en delta a 3 hilos o sistemas estrella a 4 hilos (Paul,
2009).
Otra característica básica del equipo es que tiene la capacidad de programarse
para tiempos de monitoreo desde varios segundos hasta varios días, semanas o meses
de funcionamiento una vez instalado en las terminales tipo espada del secundario de un
transformador.
Con la información obtenida se puede trazar tendencias de potencia del sistema
de alimentación eléctrica de una planta industrial, el porcentaje de carga del
transformador principal (Mark, 2005) y sobre todo el comportamiento en cualquier
instante del famoso “factor de potencia”, problema muy frecuente en muchas plantas
industriales por las multas impuestas por la Comisión Federal de Electricidad en caso
de tener un valor menor al 90%, de acuerdo con las fórmulas para calcular el porcentaje
de recargo (figura1), según la Comisión Federal de Electricidad.
Figura 1. Fórmulas de recargo o bonificación de C.F.E.
Fuente: C.F.E.
Página 68
El equipo monitoreado es un transformador de 2000 kVA, tipo pedestal con
voltajes primarios y secundarios de alimentación de 13.2kV – 0.480/0.277 kV en
conexión Delta – Estrella. Dado que si no se conoce el comportamiento de operación de
cualquier sistema eléctrico, será imposible identificar los parámetros que se encuentren
fuera de rango, y consecuentemente hacer un diagnóstico que pueda permitir realizar
acciones preventivas o correctivas en el mantenimiento de los mismos. Esto permitirá
aumentar la disponibilidad y continuidad de la energía eléctrica disminuyendo el costo
de reparación en caso de presentarse alguna falla.
2. Desarrollo y Experimentación.
De acuerdo a la descripción y especificaciones del equipo antes mencionado se ha
procedido a realizar como parte del desarrollo un experimento utilizando el equipo que
fue descrito para monitorear por un tiempo aproximado de 24 horas un transformador
de 2000 kVA, perteneciente a una planta industrial (Figura 2). En la Figura 2 se
presenta la tendencia de corriente en amperes, de tal manera que el usuario puede
verificar en pantalla el valor del amperaje en cualquier hora desde las 15:10 horas del
día 29 de Junio hasta las 15:04 horas del 30 de Junio del año en curso. Se tendrá aquí
un dato muy importante para poder observar el comportamiento del sistema y saber el
desbalanceo de fases que fue calculado en el diseño preliminar eléctrico de la planta
industrial (IEEE, IEEE Trial-Use Standard Definitions for the Measurement of Electrical
Power Quantities
Under Sinusoidal,
Nonsinusoidal,
Balanced,
or Unbalanced
Conditions, 2000). Este dato es importante ya que al tener programado un estudio de
termografía, se pueden detectar posibles fallas en el sistema eléctrico.
Página 69
1.300E
++
33
1.300E
1.250E
++
33
1.250E
1.200E
++
33
1.200E
1.150E
++
33
1.150E
1.100E
++
33
1.100E
1.050E
++
33
1.050E
1000
1000
950.0
A 950.0
900.0
900.0
850.0
850.0
800.0
800.0
750.0
750.0
700.0
700.0
650.0
650.0
600.0
600.0
6/29/2009
6/29/2009
3:10:00.000
M
3:10:00.000PP
M
Arms Linea1
Arms Linea2
Arms Linea3
29/06/2009
29/06/2009
29/06/2009
23:54:40
23:54:40(H
(H:M
:M:S
:S))
4
4H
Ho
ou
urs/D
rs/Div
iv
10:00.0 827.679187
10:00.0 836.420627
10:00.0 874.235819
prom
600.9
594.5
624.4
min
6/30/2009
3:04:40.000 PM
1180.8 A
1214.7 A
1240.1 A
max
6/29/2009 - 3:10:00.000 PM
Val
1.067E+3
Arms Linea1
1.077E+3
Arms Linea2
Arms Linea3
1.120E+3
Figura 2. Comportamiento de la corriente en función del tiempo en el secundario del
transformador de 2000 kVA.
Fuente: Elaboración propia
El segundo parámetro en observación son las potencias principales del sistema que
son:
Potencia real [kW]
Potencia reactiva [kVAR]
Potencia aparente [kVA]
3. Resultados
De acuerdo a los datos obtenidos referentes al comportamiento de la corriente en
función del tiempo durante la realización del experimento. Dichos datos auxiliarán para
saber la demanda máxima consumida y tener un valor comparable con el recibo
mensual que presenta la Comisión Federal de Electricidad, recordando que el sistema
se encuentra bajo una tarifa HM de consumo de energía eléctrica.
Página 70
850.0E
850.0E
+3+3
800.0E
800.0E
+3+3
750.0E
750.0E
+3+3
700.0E
700.0E
+3+3
650.0E
650.0E
+3+3
600.0E
600.0E
+3+3
550.0E
550.0E
+3+3
500.0E
500.0E
+3+3
450.0E
450.0E
+3+3
W
400.0E
400.0E
+3+3
350.0E
350.0E
+3+3
300.0E
300.0E
+3+3
250.0E
250.0E
+3+3
200.0E
200.0E
+3+3
150.0E
150.0E
+3+3
100.0E
100.0E
+3+3
50.00E
50.00E
+3+3
0.000
0.000
6/29/2009
6/29/2009
3:10:00.000
PM
3:10:00.000
PM
W Linea1
W Linea2
W Linea3
W Neutral
VAR Linea1
VAR Linea2
VAR Linea3
VAR Neutral
VA Linea1
VA Linea2
VA Linea3
VA Neutral
29/06/2009
29/06/2009
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23:54:40(H
(H
:M
:S
23:54:40
:M
:S
))
H
rs/D
iv
44H
oo
uu
rs/D
iv
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
10:00.0
185068.445
196066.914
200162.695
581298.053
142329.043
131510.017
146781.778
420620.838
234219.899
236775.866
249132.308
720128.072
prom
141709.05 260611.72
145616.33 279698.88
154035.28 276623.63
446961.31 814406.03
75299.18 215090.58
66129.97 206241.98
73222.85 225101.05
214652 646433.61
171781.22 334076.56
169987.44 343978.22
177305.22 353270.78
519981 1031325.56
min
max
6/30/2009
3:04:40.000 PM
W
W
W
W
VAR
VAR
VAR
VAR
VA
VA
VA
VA
6/29/2009 - 3:10:00.000 PM
Val
228.6E+3
WLinea1
WLinea2
242.2E+3
242.8E+3
WLinea3
713.6E+3
WNeutral
183.6E+3
VAR Linea2
Figura 3. Tendencias de potencias eléctricas en el transformador de 2000 kVA.
En la Figura 4, se está representando el comportamiento del sistema en cuanto
al factor de potencia, que debe ser revisado por la empresa de suministro de energía
eléctrica teniendo el usuario que mantenerlo mayor del 90%.
Se observa en la figura el factor de potencia promedio de la siguiente manera:
Fase 1 = 0.79
Fase 2 = 0.82
Fase 3 = 0.80
Aquí se deberán tomar medidas para la corrección correspondiente del bajo
factor de potencia de acuerdo a las diferentes técnicas de compensación de energía
reactiva. Se mencionarán a continuación los efectos en un sistema eléctrico industrial
de un bajo factor de potencia:
•
Se utiliza más combustible para generar la energía eléctrica en las plantas
de generación de C.F.E.
Página 71
•
Los equipos eléctricos son más grandes, por lo tanto más costosos, como
interruptores, transformadores, cables, tuberías, tableros etc (Mark, 2005).
•
Se incrementa las perdidas por I² R, por concepto de pérdidas por calor en
la instalación eléctrica (Mack, 2007).
•
Se paga multa a la compañía suministradora.
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
6/29/2009
3:10:00.000 PM
PF Linea1
PF Linea2
PF Linea3
29/06/2009
29/06/2009
29/06/2009
23:54:40 (H:M:S)
4 Hours/Div
10:00.0
10:00.0
10:00.0
0.791972
0.829867
0.806254
prom
0.656
0.706
0.659
min
6/30/2009
3:04:40.000 PM
0.9
0.921
0.911
max
6/29/2009 - 3:10:00.000 PM
Val
PF Linea1
0.757
PF Linea2
0.795
PF Linea3
0.762
Figura 4. Tendencia del factor de potencia en transformador de 2000 kVA.
Para obtener el factor de potencia real durante las 24 horas de monitoreo se
requiere realizar un cálculo que se muestra en la Figura 5. De acuerdo a los datos
obtenidos en Figura 6, los datos necesarios serán los siguientes:
13902.71 kW-Hr.
10059.84 kVAR-Hr.
Página 72
Figura 5. Cálculo del factor de potencia real.
Por lo que el factor de potencia se encuentra por debajo de 90%, de acuerdo a
fórmulas de C.F.E. mostradas en Figura 5.
18.00E
+6
18.00E
+6
16.00E
+6
16.00E
+6
14.00E
+6
14.00E
+6
12.00E
+6
12.00E
+6
Wh10.00E
10.00E
+6
+6
Vah
VAR8.000E
h8.000E
+6
+6
6.000E
+6
6.000E
+6
4.000E
+6
4.000E
+6
2.000E
+6
2.000E
+6
0.000
0.000
6/29/2009
6/29/2009
3:10:00.000
PM
3:10:00.000
PM
W-hora Neutral 29/06/2009
VA-hora Neutral 29/06/2009
VAR-hora Neutra 29/06/2009
23:54:40(H
(H
:M
:S
23:54:40
:M
:S
))
H
rs/D
iv
44H
oo
uu
rs/D
iv
6/30/2009
3:04:40.000 PM
10:00.0 13902711.8 Wh
10:00.0 17223063 Vah
10:00.0 10059848.4 VARh
6/30/2009 - 3:02:20.000 PM
Val
13.88E+6
W-hora Neutral
17.20E+6
VA-hora Neutral
10.05E+6
VAR-hora Neutral
Figura 6. Energía consumida en kW-Hr, kVA-Hr, kVAR-Hr.
La tendencia observada en la Figura 8 describe la variación del voltaje de línea
en el transformador de 2000 kVA, por lo tanto se deberá tener atención en no tener un
Página 73
desbalanceo cercano al 5%, (IEEE, Recommended Practice for Monitoring Electric
Power Quality, 1995)
Figura 7. Factor de reducción por desbalance de voltaje en motores de inducción trifásicos.
Fuente: (Red Book, 1994)
Ya que se afectarían equipos eléctricos como los motores de inducción (ver
Figura 7), por lo general según el espectro el voltaje se reduce al nominal al inicio de
cada jornada de trabajo. Es importante conocer en cualquier instante de tiempo la
fluctuación de esta principal variable.
En la Figura 3 se puede observar que la máxima demanda registrada fue de
814.4 kW a un factor de potencia de 0.81, representando un 50.27 % de factor de
utilización (Fu = Capacidad de operación / Capacidad nominal) .
También en la Figura 3 se observa el comportamiento de la potencia promedio
real durante 24 horas de monitoreo, dato importante para saber la capacidad utilizada
durante el tiempo de operación del equipo.
Por último tener la variable del factor K, mostrado en la Figura 9. Esta variable
indica la máxima carga que soporta un transformador en función del factor K,
incrementándose esta variable con el incremento de las corrientes armónicas
inyectadas al sistema eléctrico y su comportamiento se puede observar en la curva
representada en la Figura 10, en donde a modo de ejemplo la gráfica muestra que si el
Página 74
valor de K es 15, entonces la máxima corriente que soporta un transformador es 0.6
veces la nominal.
En el caso del transformador monitoreado se indica un factor K aproximado de 1,
es por ello que se puede trabajar arriba del 98% de la capacidad sin que el
transformador tenga aumento de temperatura (IEEE, IEEE recommended practice for
establishing transformer, 1998).
525.0
525.0
520.0
520.0
515.0
515.0
510.0
510.0
505.0
505.0
500.0
500.0
495.0
495.0
490.0
V490.0
485.0
485.0
480.0
480.0
475.0
475.0
470.0
470.0
465.0
465.0
460.0
460.0
455.0
455.0
6/29/2009
6/29/2009
3:10:00.000
3:10:00.000P
PM
M
Urms Linea1
Urms Linea2
Urms Linea3
29/06/2009
29/06/2009
29/06/2009
23:54:40 (H:M:S)
4 Hours/Div
10:00.0 488.899419
10:00.0 492.906876
10:00.0 492.194425
prom
477
479.9
479.6
min
6/30/2009
3:04:40.000 PM
496 V
500.5 V
499.9 V
max
6/29/2009 - 3:10:00.000 PM
Val
487.6
Urms Linea1
491.1
Urms Linea2
490.6
Urms Linea3
Figura 8. Tendencia del voltaje de línea del transformador de 2000 kVA (480 V).
Página 75
1.120
1.100
1.080
1.060
1.040
1.020
1.000
0.98
0.96
6/29/2009
3:10:00.000 PM
Akf Linea1
Akf Linea2
Akf Linea3
29/06/2009
29/06/2009
29/06/2009
23:54:40 (H:M:S)
4 Hours/Div
10:00.0
10:00.0
10:00.0
1.024485
1.01233
1.013231
prom
min
1
1
1
6/30/2009
3:04:40.000 PM
1.07
1.05
1.07
max
6/29/2009 - 3:10:00.000 PM
Val
1.020
Akf Linea1
1.000
Akf Linea2
1.010
Akf Linea3
Figura 9. Tendencia del factor K en el transformador de 2000 kVA
Figura 10. Carga máxima de un transformador en función del factor K.
Fuente: (Dugan Roger C)
Página 76
4. Conclusiones
Los programas de mantenimiento en plantas industriales recomiendan realizar
mediciones en los equipos que están trabajando en forma regular, las mediciones se
hacen sobre la marcha, y se pueden tomar acciones preventivas o correctivas, solo
cuando las mediciones están fuera de los limites de operación del equipo, y se repara
en función de los requerimientos encontrados utilizando solo unas cuantas horas
hombre, impactando en forma positiva en el centro de coste del departamento de
mantenimiento de la planta industrial. Generalmente para este tipo de mantenimiento,
se requieren nuevas herramientas, entrenamiento, software, base de datos para la
recolección de la información tratada y programar los ciclos de reparación. En
conclusion se puede resumir lo siguiente:
a) Con las mediciones anteriormente descritas se conoce
con más detalle la
operación del transformador de 2000 kVA, además de saber cuál es el horario
donde la demanda máxima llega al punto más alto durante el día laboral, y
finalmente programar en un futuro un estudio de termografía.
b) Se corroboró que el factor de potencia atrasado se encuentra por debajo de los
límites permitidos por la C.F.E., Por ello se tendrá que realizar un estudio más
detallado en los tableros eléctricos para la compensación de energía reactiva.
c) Con los datos de desbalance de corrientes se encontró una oportunidad de
mejora para balancear las cargas monofásicas en los tableros secundarios y
disminuir el desbalanceo de cargas eléctricas, además de conocer el
desbalanceo de voltajes para tomar acciones preventivas y evitar el daño en los
equipos eléctricos, como por ejemplo los motores eléctricos de inducción.
d) Con el dato obtenido de K = 1, prácticamente está mostrando la habilidad total
del transformador para manejar las cargas de corrientes no lineales sin
calentamiento anormal, la mayoría de los transformadores están diseñados para
operar con corriente alterna a frecuencia fundamental, lo cual implica que
operando bajo condiciones de carga nominal y con una temperatura no mayor a
la temperatura ambiente especificada, el transformador debe ser capaz de
disipar el calor producido por sus pérdidas, sin sobrecalentarse ni disminuir su
vida útil. La circulación de corrientes con alto contenido armónico en los
Página 77
transformadores, provoca un mayor calentamiento que puede obligar a utilizarlos
por debajo de su potencia nominal, para no sobrepasar las temperaturas
máximas permitidas.
Referencias.
[1] Dugan Roger C, M. G. (s.f.). Electrical Power System Quality. Mc Graw Hill.
[2] Francisco, S. R. (1976). Manual de mantenimiento de máquinas y equipos eléctricos.
CEAC.
[3] IEEE. (1995). Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality. Std 1159.
[4] IEEE. (1998). IEEE recommended practice for establishing transformer. Std C57.110.
[5] IEEE. (2000). IEEE Trial-Use Standard Definitions for the Measurement of Electrical
Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions.
Std 1459.
[6] Jose, R., Gabriel, L., & Gerardo, Z. (2010). Analisis de Casos en el Mantenimiento
Industrial. En UTSJR, CONCYTEQ (págs. 108-111). San Juan del Rio Queretaro:
UTSJR.
[7] Mack, G. (2007). Fundamentals of Electric Power Systems. University of Texas at Austin.
[8] Mark, E. (2005). National Electrical Code Handbook. NFPA.
[9] Paul, G. (2009). Electrical Power Equipment Maintenance and Testing. CRC Press LLC.
[10]
(1994). IEEE Recommender practice for Electric Power Distribution for ndustrial
plants. En I. Red Book. Red Book, IEEE.
Página 78
Ahorro de energía eléctrica a partir del ahorro de agua en la UTBB
Julio Cesar Ortiz Tovar1, Víctor Messina López2, Luis Martín Dibene Arriola3
1,2,3
Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas – Blvd. Nuevo Vallarta No. 65
Poniente, Nuevo Vallarta, Nayarit, 63732. México
[email protected]; [email protected]; [email protected].
Resumen
En el siguiente trabajo se analizan los factores que impactan en el desperdicio de
recursos energéticos, en especial, la relación de consumo de energía eléctrica con el
uso del agua, debido al constante bombeo de agua potable para suministro hacia el
tanque elevado, así como el sistema de bombeo de aguas negras desde el cárcamo de
la Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas (UTBB) hacia la red municipal.
El desperdicio de agua impacta al medio ambiente no solo por la explotación de los
mantos acuíferos, sino también por la contaminación debido a la generación de energía
eléctrica requerida por los motores eléctricos de las bombas, y por su puesto impacta
en lo económico a la institución. En este trabajo se ofrecen alternativas tecnológicas
innovadoras para contribuir a la reducción de desperdicios de agua y energía eléctrica,
todo ello a partir de un amplio estudio de ingeniería, con el fin de dar resultados
favorables y palpables en beneficio de la institución y del medio ambiente.
Palabras claves
Consumo, Energía eléctrica, Agua, Desperdicio, Explotación.
Página 79
1. Introducción
El desperdicio y el uso irracional de recursos energéticos por parte del hombre es una
de las problemáticas mas consecuentes del impacto ambiental, el consumo de agua
implica consumo de energía eléctrica, ya que se tiene que extraer de las fuentes de
abastecimiento por medio de sistemas de bombeo, potabilizar, almacenar y conducir
por una compleja y costosa infraestructura para poderla llevar a las industrias,
comercios, hogares y sectores públicos, así como el tratamiento que permita restaurar
la calidad del agua en las corrientes y acuíferos del país al momento que se convierte
en aguas residuales [1].
El gobierno Mexicano tienen un gran compromiso con la
nación, está obligado a preservar el medio ambiente y atender las recomendaciones de
instituciones responsables del cuidado y medio ambiente, así como de investigaciones
serias que ofrezcan atenuar o revertir el impacto ambiental por la extracción de aguas
de los mantos acuíferos y la contaminación por la generación de energía eléctrica.
En el caso de la Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas (UTBB), toda el
agua que se destina para servicio de inodoros, mingitorios, lavamanos tallereslaboratorios de cocinas, y toda el agua una vez utilizada se convierte en aguas
residuales que tienen como destino el cárcamo dentro de la UTBB y de ahí se envía a
la red municipal por medio de dos bombas, si a estos procesos de conducción de agua
le sumamos el consumo energético eléctrico para un tratamiento final en las plantas de
tratamiento municipal que permiten restaurar la calidad del agua e integrar en las
corrientes y acuíferos del país, nos daremos cuenta
que el agua pasa por varios
procesos en los cuales se hace uso de energía eléctrica desde su obtención hasta su
destino final que es el desazolve hacia el mar en el caso de esta zona. Si logramos
reducir el consumo de agua desde el primer proceso podremos reducir el consumo de
energía en la misma proporción.
Página 80
En éste trabajo se presentan acciones viables y un estudio económico, que al
ponerse en conjunto
arrojarán una reducción considerable en pagos por energía
eléctrica, desgaste en las bombas y pagos a la CONAGUA. Las primeras acciones
consisten en implementar mingitorios que permiten que operen sin necesidad de agua,
así como sustitución de herrajes para inodoros con botón de doble función para
descargar líquidos 3 y 6 litros, con ello se reducirá notablemente el número de litros de
agua demandados por estos sistemas, con respecto a los convencionales lo cual
repercute en la reducción de consumo de energía eléctrica.
2. Desarrollo
Tan sólo en Bahía de Banderas
se extraen 250 litros diarios por habitante [2].
Actualmente es el segundo lugar en número de habitantes en el estado de Nayarit con
una población total de 83,739 personas, y a su vez Bahía de Banderas ocupa el
segundo lugar en el estado de Nayarit con mayor consumo de energía eléctrica, con
368,226.0 Mega-watts/hora [3] razón por la cual este caso es digno de estudio, se
estima que del 5 al 7% del consumo de energía se destina a sistemas de bombeo para
extracción de agua de los mantos acuíferos y 9% para tratamiento de aguas negras [4],
Para el inicio de este estudio es necesario precisar que los datos que se
recabaron para este trabajo son del cuatrimestre que comprende desde Septiembre a
Diciembre del 2012 al cuatrimestre de Enero - Abril 2013.
Es necesario precisar que tanto los Wc como los mingitorios que se encuentran
instalados actualmente en la universidad cuentan con llaves y sistemas de herrajes
convencionales, para este estudio se consideró 6 lts de agua para los Wc y para los
mingitorios de los cual no se tiene un control absoluto se consideró un promedio de 3
litros por usuario. A partir de los datos encuestados se sabe que cada persona del sexo
femenino hace uso del wc en un promedio de 3 veces al día, se pudo determinar que en
promedio defecan una vez y orinan dos veces por día, esto significa que por cada
persona del sexo femenino se consumirán 18 lts al día;
Página 81
Con respecto a las personas del sexo masculino, se pudo determinar que en
promedio fue la misma tendencia a la del sexo femenino. A continuación se presentan 2
tablas de apoyo, en las que aparece el consumo que se genera en un día de forma
resumida.
Encuesta de usuarios Wc y Mingitorios
Litros
Clasificación
Número
Veces que
Veces que
por
- Género
Por grupos orina por día defeca por día
Orinar
Alumno
Hombre
718
2
1
3
Alumno
Mujeres
547
2
1
6
Administrati
vos Hombres
65
2
1
3
Administrati
vos Mujeres
65
2
1
6
Total
1,395
Tabla 2.0 Muestra datos de encuestas a usuarios.
Litros
por
Defecar
6
6
6
6
Consumo Actual con Herrajes y mingitorios convencionales
Litros/Día
Consumo total de
Clasificación
Número Consumidos por
Litros/Día por
Porcentaje
- Género
Por grupos
persona
género
que representa
Alumno
Hombre
718
12
8,616
42.21%
Alumno
Mujeres
547
18
9,846
48.24%
Administrati
vos Hombres
65
12
780
3.82%
Administrati
vos Mujeres
65
18
1,170
5.73%
Total
1,395
20,412
100.00%
Tabla 2.1 Muestra el consumo de agua por géneros
Página 82
2.1 Propuestas para la reducción del consumo de agua.
Como ya se había descrito anteriormente, a los wc con sistemas convencionales de
herraje se les puede adaptar herrajes de doble función, de tal forma que el usuario
tenga la opción de utilizar botón de descarga de 3 y 6 litros, si hacemos una simulación
de que es lo que pasaría en caso de implementar estos sistemas así como mingitorios
ecológicos, podemos ver en las tablas 3 y 4 que se reduciría el consumo de agua en un
41%, esto quiere decir que si antes se consumían 20.412 Mts3, ahora solo se
consumirán 12.042 Mts3/Día. A continuación se presentan 2 tablas de apoyo, en las
que aparecen de forma resumida los datos antes descritos.
Consumo con propuesta de sistemas ahorradores de agua
Litros
Litros
Clasificación
Número
Veces que
Veces que
por
por
- Género
Por grupos orina por día defeca por día
Orinar
Defecar
Alumno
Hombre
718
2
1
0
6
Alumno
Mujeres
547
2
1
3
6
Administrati
vos Hombres
65
2
1
0
6
Administrati
vos Mujeres
65
2
1
3
6
Total
1,395
Tabla 2.2 Muestra los consumos con las correcciones propuestas.
Consumo con propuesta de sistemas ahorradores de agua.
Litros/Día
Consumo total de
Clasificación
Número Consumidos por
Litros/Día por
Porcentaje
- Género
Por grupos
persona
género
que representa
Alumno
Hombre
718
6
4,308
21.11%
Alumno
Mujeres
547
12
6,564
32.16%
Administrati
vos Hombres
65
6
390
1.91%
Administrati
vos Mujeres
65
12
780
3.82%
Total
1,395
12,042
58.99%
Tabla 2.3 Muestra los porcentajes con las correcciones propuestas.
Página 83
Si hacemos una comparativa entre los datos de las tablas 2.0 y 2.2, se observa
que los datos de la tabla 2.3 muestran una reducción en el consumo de agua en un 41
% con respecto al consumo actual de agua, en conclusión podemos afirmar que
actualmente se consumen 20,412 Litros de agua diarios, y si se implementan las
propuestas de sistemas de ahorro sólo se consumirán 12,042 Litros al día.
A continuación se presenta la tabla 2.4 con un presupuesto para la adquisición
de los herrajes de doble función 3 y 6 litros así como de la instalación de mingitorios
que no consumen agua.
Cantidad Unidad Precio Unitario
No. Concepto
1.1 Suministro e instalación de Mingitorio tipo ecológico,
incluye:
desmontaje
de
mingitorio
viejo
Importe
25
Pzas
$6,580.00
$164,500.00
40
Pzas
$1,850.00
$74,000.00
y
acondicionamiento de nuevo, barreno para tornillos
nuevos, traslado de escombros, limpieza de área de
trabajo,supervisión y lo necesario para su correcta
instalación
1.2 Suministro e instalación de Sistema ecológico
ahorrador de agua doble botón 3 y 6 lts para w.c,
incluye:
desmontaje
de
herrajes
viejos
y
acondicionamiento de nuevos, tornillería nueva para
sujección, empaques y ajuste , traslado de
escombros, limpieza de área de trabajo, supervisión y
lo necesario para su correcta instalación
Subtotal:
Iva:
Total:
$238,500.00
$38,160.00
$276,660.00
( Doscientos Setenta y Seis Mil Seis Cientos Sesenta Pesos 0/100 M.N )
Tabla 2.4 Presupuesto de la propuesta de corrección.
El costo de inversión de las propuestas para ahorro de agua oscila alrededor de
$280,000.00, con ello vamos a ahorrar 8.37 Mts3 diarios, si hacemos un análisis del
costo por ahorro de agua nos daremos cuenta que no sería viable intentar ahorrar
recurso económico por medio del ahorro de agua, debido a que por cada 1 mt3 se
Página 84
pagan $5.70 a la Comisión nacional del Agua, (CONAGUA) [5] se dejarían de pagar
$47.709 al día, considerando que sólo hay 211 días de clase en un año escolar de la
UTBB, tendrían que pasar 27.5 años para poder decir que se ha cubierto el costo de la
inversión; pero en cuestión de impacto ambiental y el consumo energético, vamos a
encontrar que se puede reducir drásticamente, éste análisis se estudiará en seguida.
2.2 Análisis del consumo energético eléctrico por bombeo
En la Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas, se cuenta con un tanque elevado
que suministra agua a toda la universidad, y se sabe que dicho consumo se distribuye
como se muestra en la gráfica 2.0 a partir de una medición como se indica a
continuación:
•
Wc Hombres y Mujeres = 45%
•
Mingitorios = 13%
•
Lavamanos = 29%
•
Sistema de Riego = 12%
•
Llaves para lavado de trapeadores = 1%
PORCENTAJE
Wc Hombres & Mujeres
12% 1%
Mingitorios
45%
Lavamanos
29%
Sistemas de Riego
12%
Llaves para lavado de
trapeador y otros
Figura 2.0 Muestra gráfica con los porcentajes en los que se destina el agua.
Datos Actuales:
Página 85
Se pudo investigar que el tanque elevado que suministra agua a la Universidad tiene
una capacidad de 55,000 litros y se sabe que regularmente está al 90% de su
capacidad para poder dar servicio, esto equivale a aproximadamente 49,500 litros, para
lograr esto se necesita encender la bomba un promedio de 2.5 hrs al día, lo que
equivale a 18.65 KWh la bomba es de 10 hp, y tiene una capacidad de bombeo de
7.639 lps. Un estudio realizado en la universidad afirma que el consumo de energía
eléctrica por el rubro de bombeo de agua potable hacia el tanque es del 7% del total, y
un 16% de bombeo de aguas negras del cárcamo en el interior de la universidad hacia
la red de aguas negras del municipio esto debido a que envía todo el agua contaminada
de los lavamanos, mingitorios, inodoros, desechos de cocinas etc. por lo tanto, quiere
decir que entre los 2 sistemas de bombeo consumen un 23% de la energía total, Los
pagos por consumo total de energía eléctrica en la universidad oscilan alrededor de
$150,000.00 por mes. Se sabe que los equipos de bombeo al interior de la universidad
consumen el 23% de la energía total, lo que equivale a $34,500.00 por dicho rubro, si
se aplicaran las medidas propuestas, las cuales consisten en la adaptación de sistemas
ecológicos, se estarían ahorrando por lo menos el 42% de los $34,500.00 lo que
equivale a dejar de pagar $14,490.00 al mes, si estos datos los representáramos en un
Horizonte de planeación podríamos observar lo siguiente, a partir de ciertas condiciones
en compra:
Condiciones de compra
 El costo total de la adaptación de los sistemas ecológicos es de $ 276,660.00
según la estimación en la página 6.
 El vendedor e instalador de los sistemas facilitará un crédito a la Universidad por
ser una institución pública del gobierno estatal-federal, solo tendrán que
adelantar un enganche del 18% como mínimo, y se le cobrara una tasa de
interés del 6% mensual. El 18% de la estimación serían $ 49,789.80
 La universidad pretende cubrir toda la inversión o adquisición de materiales y
mano de obra con los ahorros generados por la reducción de energía eléctrica a
partir del bajo consumo de agua, según el estudio previo se tendrá un ahorro de
Página 86
$ 14,490.00 por mes, a su vez también se dejarán de pagar 12.042 Mts3 a la
comisión del agua ( CONAGUA), esto equivale a $ 625.58.
 La universidad aún no sabe cuántos pagos y de qué cantidad tendrán que
realizar para cubrir la deuda, pero pretende hacer solo pagos fijos para llevar un
mejor control en sus finanzas, poder controlar y planificar sus pagos.
Para ello es importante realizar un Horizonte de planeación con series uniformes,
en la cual podemos determinar en cuantos periodos se va a cubrir la deuda incluyendo
todos los cargos.
A partir de la siguiente ecuación y despejando el exponente "n" podemos
determinar los periodos que se requieren para cubrir la deuda de la inversión.
(1+𝑖𝑖)𝑛𝑛 ∗𝑖𝑖
Donde:
𝐴𝐴 = 𝑃𝑃 �(1+𝑖𝑖)𝑛𝑛
−1
�
A: Valor presente (Mensualidad)
P: Serie uniforme conocida (Monto por cubrir)
i: Tasa de interés
n: Cantidad de periodos en los que se va a distribuir la serie (Número de
Mensualidades)
Datos:
Costo inicial del proyecto = $ 276,660.00
Enganche 18% del costo inicial = $ 49,789.80
Tasa de Interés del 6 % mensual.
Pagos mensuales que ofrece la universidad al proveedor = $ 15,115.58
Página 87
$ 276,660.00 - $ 49789.8 = $ 226,861.2
6% Interés Mensual.
1
2
3
4
5
6
7
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9 10
? ? ? ? ?
¿Cuantos periodos?
Mensualidades de $ 15,115.58
Despeje de "n", a partir de la siguiente ecuación.
Pasos:
𝑃𝑃
(1+𝑖𝑖)𝑛𝑛
=
𝐴𝐴
1−
𝐴𝐴
𝐴𝐴−𝑃𝑃∗𝑖𝑖
𝑃𝑃∗𝑖𝑖
𝐴𝐴
=
1
𝑃𝑃
− (1+𝑖𝑖)𝑛𝑛 ∗𝑖𝑖 𝐴𝐴 =
1
𝑃𝑃∗𝑖𝑖
𝑛𝑛
(1+𝑖𝑖) 𝐴𝐴
= (1 + 𝑖𝑖)𝑛𝑛
(1+𝑖𝑖)𝑛𝑛 −1
𝑃𝑃
𝐴𝐴
1
=
1
= 1 − (1+𝑖𝑖)𝑛𝑛
A
𝑖𝑖
1
− (1+𝑖𝑖)𝑛𝑛 ∗𝑖𝑖
𝐴𝐴−𝑃𝑃∗𝑖𝑖
log �𝐴𝐴−𝑃𝑃∗𝑖𝑖 � = log(1 + 𝑖𝑖)𝑛𝑛
𝐴𝐴
=
𝑛𝑛 =
1
(1+𝑖𝑖)𝑛𝑛
log (𝐴𝐴)−log (𝐴𝐴−𝑃𝑃∗𝑖𝑖)
log (1+𝑖𝑖)
Sustituyendo los datos en la última expresión obtenemos lo siguiente:
A = $ 15,115.58
P = $ 226,870.20
Tasa de Interés del = 6 % mensual.
𝑛𝑛 =
log(15,115.58) − log(15,115.58 − 226,870.2 ∗ 0.06)
log(1 + 0.06)
𝑛𝑛 =
9.623481 − 7.3154632
0.058268908
Por lo tanto "n" será igual a 43.8 periodos mensuales, esto es equivalente a 3 años,
7 meses.
Página 88
De tal forma que se podrá representar un horizonte de planeación de forma completa
con todos sus datos correspondientes.
$ 226,861.2
6% Interés Mensual.
43.65 Pagos Mensuales de
$15,115.58
3. Resultados
A partir de la aplicación de las estrategias propuestas en éste trabajo se puede
observar que la institución ahorrará un 42% en consumo de agua con respecto al
consumo actual, y a su vez dejará de pagar un 13% a CFE por consumos de energía
debido a la reducción de mt3 bombeados de agua hacia el tanque de la institución,
aunado a los resultado generales el cual se enfoca en el ahorro de agua y energía
eléctrica, podemos observar otros efectos como son el incremento de la vida útil de los
sistemas de bombeo por la reducción de número de horas de operación, además una
clara contribución al cuidado del medio ambiente y social. Todo esto puede ser posible
debido a la aplicación de la ingeniería y otras líneas de estudio encargadas del medio
ambiente, con el fin de promover la cultura de un mejor aprovechamiento en los
energéticos.
Página 89
4. Conclusiones
Se pudo determinar que la
inversión económica para la implementación de estos
sistemas ahorradores de agua, se pueden recuperar en 43.65 mensualidades, su
mantenimiento de operación es mínimo o casi nulo, es claro el impacto favorable que se
genera en la reducción de la explotación de los mantos acuíferos, con ello también se
reducirá la emisión de gases debido a la generación de energía eléctrica. Con medidas
como las que se proponen en este trabajo, se puede ayudar al medio ambiente a
revertir el daño ocasionado por la contaminación y el desperdicio de energéticos.
Referencias
[1] CONAGUA. (28 de Septiembre de 2011). Programa de Devolución de Derechos
(PRODDER). Recuperado el 19 de Enero de 2012, de Programa de Devolución de
Derechos (PRODDER): http://www.cna.gob.mx/Contenido.aspx?n1=4&n2=24&n3=24
[2] Http://www.bahiadebanderas.gob.mx/index2.php/restaura-oromapas-sus-redes-yconmemora-dia-mundial-del-agua/. (Jueves 22 de Marzo de 2012).
http://www.bahiadebanderas.gob.mx/index2.php/restaura-oromapas-sus-redes-yconmemora-dia-mundial-del-agua/. Recuperado el Jueves 22 de Marzo de 2012, de
http://www.bahiadebanderas.gob.mx/index2.php/restaura-oromapas-sus-redes-yconmemora-dia-mundial-del-agua/: Jueves 22
[3] INEGI. (02 de Febrero de 2012).
http://www2.inegi.org.mx/sistemas/mapatematicomexicocifras3d/default.aspx?e=0&m
un=0&sec=M&ind=1010000031&ani=2009&src=0&i=. Recuperado el jueves 02 de
febrero de 2012, de INEGI:
[4] Watergy. (Agua y Energía: Aprovechando las oportunidades de la eficiencia de agua
y energía aún no explorada en los sistemas municipales).
http://www.watergy.org/resources/publications/watergy_spanish.pdf
[5] (Programa nacional hídrico 2007-2012, CONAGUA) OBJETIVO 2.
http://www.cna.gob.mx/Contenido.aspx?n1=1&n2=28
Página 90
Evaluación estructural de un edificio de mampostería
José Jaime Torres Gutiérrez1, Octavio García Domínguez2 Amado Gustavo Ayala
Milián3
1
Universidad Tecnológica de la Costa Grande de Guerrero, Carretera Acapulco
Zihuatanejo km 201, ejido el cocotero C.P. 40830, apartado postal 62.Tel. 01 (758) 53
82341, Petatlán Gro. México.
1
[email protected]
2,3
Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Ingeniería, Circuito Escolar
Interior S/N, Ciudad Universitaria, C.P. 04510, Tel. 01 (55) 56228002, México D.F.
2
[email protected],[email protected]
Resumen
El presente artículo tiene como propósito presentar la evaluación estructural de un
edificio de mampostería con apego a los requisitos normativos. Para ello se realizaron
mediciones de vibración ambiental utilizando acelerómetros triaxiales, cuyo proceso
numérico permitió calibrar las propiedades dinámicas del edificio, utilizando un
instrumento virtual, y posteriormente la construcción de un modelo matemático
representativo de la estructura existente. De los resultados del análisis fue posible la
comparación de los cortantes basales y distorsiones de entrepiso con la normatividad
vigente. Los resultados obtenidos reflejan un buen comportamiento estructural, sin
embargo no cumple con la normatividad en cuanto a la distorsión de entrepiso en una
dirección.
Palabras clave
Vibración ambiental, instrumento virtual, cortantes basales, distorsiones de entrepiso.
Página 91
1. Introducción
Ante el peligro sísmico latente en las costas del estado de Guerrero por su cercanía con
la brecha sísmica y los escasos estudios de instrumentación de edificios [8]con fines de
evaluación estructural, se propuso realizar la presente investigación con objeto de llevar
a cabo la evaluación estructural de una edificación de mampostería de 6 niveles, que
permita detectar estructuras con alta vulnerabilidad sísmica, que pudieran ser afectadas
seriamente después de un evento sísmico de gran magnitud y en su caso se hagan las
recomendaciones pertinentes a fin de evitar pérdidas materiales pero sobre todo
pérdidas humanas.
Las revisiones que debe cumplir todo edificio construido en zonas sísmicas son:
a) las frecuencias o periodos de vibrar obtenidos analíticamente deben ser
representativos de la estructura existente, b) para fines de revisión del diseño, el
cortante basal dinámico debe ser mayor o igual al ochenta por ciento del cortante basal
estático, c) las diferencias entre los desplazamientos laterales de pisos consecutivos
producidos por las fuerzas cortantes sísmicas de entrepiso, no excederán de 0.006
veces la diferencia de elevaciones correspondientes, salvo que no haya elementos
incapaces de soportar deformaciones apreciables, como muros de mampostería, o
estos estén separados de la estructura principal de manera que no sufran daños por
sus deformaciones. En tal caso, el límite en cuestión será de 0.012 [5] (2004, pág. 60).
La presente investigación permitió determinar que el edifico en estudio cumple
cabalmente con los cortantes basales, con las distorsiones de entrepiso en la dirección
longitudinal, pero no así en la dirección transversal.
2. Desarrollo
La investigación se divide en dos etapas a saber, experimental y analítica, en la primera
se instrumentó el edificio en estudio con tres acelerómetros triaxialesconectados en red
para obtener registros de vibración ambiental en el dominio del tiempo (aceleración vs
tiempo). La figura 1 muestra la planta tipo del edificioy la ubicación de los sensores en
Página 92
el sótano, nivel tres y azotea respectivamente; asimismo los ejes 1, 2 y 3 representan la
dirección vertical, longitudinal y transversal de medición de aceleraciones.
Fig.1 Ubicación de acelerómetros en el edificio
Fig.2 Acelerómetro digital Terra Technology instalado en azotea
La figura 2 muestra el acelerómetro instalado en la azotea del edificio. Los
instrumentos utilizados para las mediciones de vibración ambiental son de la marca
Terra Technology y están calibrados para registrar, en tres direcciones ortogonales (dos
horizontales y una vertical), niveles máximos de aceleración de 0.25 hasta 2.0 veces la
de la gravedad. Es importante mencionar que estos equipos tienen la sensibilidad
suficiente para registrar vibraciones de pequeñas amplitudes producto de excitaciones
ambientales tales como el tránsito de vehículos en la vecindad, la acción del viento, el
funcionamiento de equipos internos, etc. [4] (2012, pág. 5).
Página 93
En la etapa analítica la información experimental es procesada utilizando un
programa de análisis de señales (instrumento virtual), desarrollado en el lenguaje de
programación de objetos LabView (Laboratory Virtual InstrumentWorkbench) [2]. El
instrumento virtual mediante técnicas de análisis de Fourier, cambia los registros de
vibración ambiental, del dominio del tiempo (aceleración vs tiempo)al dominio de la
frecuencia (amplitud vs frecuencia), identificando las frecuencias propias de vibrar del
sistema estructural, las cuales sirven de base para calibrar el modelo matemático
utilizado en la evaluación final del edificio.
Un análisis típico de señales es el mostrado en la figura 3, en la parte superior de
la figura se ilustra el registro de la señal de dos sensores, en la dirección longitudinal en
el dominio del tiempo, la aceleración es medida en gals; y se puede apreciar la
frecuencia de 4.1 Hz (𝑇𝑇 = 0.244 𝑠𝑠) en el espectro de Fourier del acelerograma de la
señal 𝑦𝑦; la coherencia muestra que no hay correlación entre ambos equipos, mientras
que la fase muestra que el movimiento de los equipos es en el mismo sentido; el
espectro de potencia y cruzado muestran con mayor definición la frecuencia del
sistema.
Fig.3 Frecuencia global de 4.1 Hz asociada al comportamiento global en dirección longitudinal del
edificio
Página 94
Otra parte de la etapa analítica del proyecto consiste en la construcción de un
modelo matemático elaborado con el programa de computadora ETABS v 9.5[3].
El edificio de seis niveles y tres metros de entrepiso se encuentra localizado en la
zona sísmica D en los terrenos blandos (Tipo III) de Ixtapa-Zihuatanejo Gro.[7] (2011,
pág. 90-92) y se clasifica como del grupo B, construido a base de mampostería de
piezas macizas con un módulo elástico E=20000 kg/cm2, confinadas por castillos, dalas
y columnas, por lo que se puede usar un factor de comportamiento sísmico de Q=2 [6],
corregido por un factor de irregularidad de 0.8, y un coeficiente sísmico, c=1.08.
Fig.4 Primera forma de vibrar asociada a la dirección transversal, con una frecuencia 2.91 Hz
(𝑇𝑇
=0.3433s)
Con los datos anteriores, la geometría del proyecto, el análisis y combinaciones
de carga y el espectro de diseño, se construyó el modelo en el programa ETABS v 9.5,
realizando un análisis modal espectral, obteniendo frecuencias o periodos, cortantes
basales y distorsiones de entrepiso, que son comparados con la normatividad vigente a
fin de realizar la evaluación estructural del edificio. Las figuras 4 y 5 muestran el modelo
tridimensional en su primera y segunda forma modal de vibrar, con frecuencias de 2.91
y 3.32 Hz (𝑇𝑇 = 0.3433 𝑦𝑦 0.3011 𝑠𝑠) en la dirección transversal y longitudinal
respectivamente, las cuales son congruentes con lo medido experimentalmente. En
estos modelos existe un sistema coordenado global en el que el eje 𝑥𝑥 corresponde a la
dirección longitudinal y el eje 𝑦𝑦 corresponde a la dirección transversal del edificio
Página 95
Fig.5Segunda forma de vibrar asociada a la dirección longitudinal, con una frecuencia 3.32 Hz
(𝑇𝑇
=0.3011 s)
Un buen proyecto estructural debe tener periodos naturales de vibrar muy
semejantes entre sí en las dos direcciones ortogonales, condición que se considera
deseable en el diseño de estructuras, sin embargo las revisiones de cortantes basales y
distorsiones de entrepiso son definitivas.
3.Resultados
En esteapartado se muestran los resultados obtenidos de la evaluación estructural del
edificio en estudio.
En primer término se presentan las frecuencias de vibrar con su respectivo
periodo, 𝑇𝑇, obtenidas de manera experimental y con el modelo matemático analítico en
sus direcciones longitudinal y transversal, cabe mencionar que las frecuencias
experimentales son el promedio de 19 análisis de señales y las del modelo son únicas,
además solo se presenta la primera frecuencia en cada dirección. Los resultados se
muestran en la tabla 1.
Página 96
Experimental
Analítico
Frecuencia longitudinal
4.16 Hz
T=0.2405 s
3.32 Hz
T=0.3011 s
Frecuencia transversal
2.70 Hz
T=0.3705 s
2.91 Hz
T=0.3433 s
Tabla1. Frecuencias y periodos naturales de vibrar experimental y analítico.
El periodo natural de vibrar es el resultado de un análisis dinámico modal, existen
formas empíricas para estimar el orden de magnitud del periodo que toman en cuenta el
sistema estructural y hacen depender el periodo de la altura del edificio, H, en metros o
el número de niveles. Entre las más usadas está la siguiente [1] (2011, pág. 149)𝑇𝑇 =
3
𝛼𝛼𝐻𝐻 4 , donde 𝛼𝛼 = 0.05 para edificios con muros de rigidez, que es el caso de estudio. La
expresión anterior arroja un periodo 𝑇𝑇 = 0.4369 𝑠𝑠, muy cercano a los obtenidos
experimental y analíticamente, por lo que los resultados presentados son razonados y
aceptables.
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1792.96
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T
30334.053
30334.053
-51046.634
-51046.634
34938.733
34938.733
43498.934
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26349.229
34566.477
7341.241
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17168.71
22404.053
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19808.513
25848.324
7369.09
9616.858
Tabla2. Cortantes, momentos flexionantes y torsionantes en la base del edificio.
A continuación se hace la revisión de los cortantes estáticos y dinámicos en la
base del edificio. De los resultados del análisis dinámico, se obtienen el peso del
edificio de 4382.53 toneladas y un coeficiente sísmico reducido de c=0.625, el cortante
basal estático en ambas direcciones equivale a multiplicar el peso del edificio por el
coeficiente sísmico reducido, es decir el cortante basal estático es 2739.08 toneladas;
Página 97
los cortantes dinámicos iniciales en la base del edificio, se resumen en la tabla 2,
obtenida del análisis dinámico modal.
Los valores coloreados en las dos columnas de la tabla 2 representan los
cortantes basales estáticos (color azul) y dinámicos (color amarillo) en toneladas en su
respectiva dirección,obtenidos de un análisis modal espectral. Los cortantes basales
dinámicos deben ser mayores o iguales al 80% del cortante basal estático (2191.26
ton.), de la tabla se ve claramente que no se cumple tal condición, razón por la cual se
incrementan todas las fuerzas sísmicas de diseño y los desplazamientos laterales en
una proporción tal que el cortante basal dinámico iguale al cortante basal estático [5];
para ello la aceleración de la gravedad es escalada en el modelo matemático y se hace
la corrida pertinente a fin de garantizar la condición anterior y obtener los nuevos
cortantes basales dinámicos, éstos son mostrados en la tabla 3. Como se puede
apreciar, los cortantes dinámicos en la base han sido igualados al 80 % del cortante
estático en la base y por lo tanto ya se cumple con este requisito normativo.
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7790.247
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27429.261
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53165.363
20983.979
27382.731
9006.665
11753.938
Tabla 3. Cortantes, momentos flexionantes y torsionantes escalados.
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Drifts =
DriftX
DriftY
0.003747
0.001889
0.003747
0.001889
0.003747
0.001889
0.003747
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0.004008
0.00206
0.004008
0.004008
0.004008
0.002379 0.004348
Q=
2
Drifts multiplicados
por Q = 0.004758 0.008696
Tabla 4. Distorsiones de entrepiso obtenidas de un análisis estructural.
Página 99
Finalmente se revisan las distorsiones de entrepiso, o diferencias entre los
desplazamientos laterales de pisos consecutivos producidos por las fuerzas cortantes
sísmicas, las cuales no deben ser mayores a 0.006.
Del análisis dinámico modal se obtienen las distorsiones de entrepiso (driftx),
mostradas en la tabla 4 para cada dirección de análisis, las cuales deben ser
multiplicadas por el factor de comportamiento sísmico Q, para determinar que el edificio
no excede los desplazamientos máximos establecidos de 0.006.
Se puede apreciar en la tabla 4 en las celdas de color amarillo que las máximas
distorsiones ocurren para el nivel tres en ambas direcciones, las cuales deben ser
multiplicadas por el factor Q y poder comparar con la máxima distorsión permitida; en
las celdas de color rojo las distorsiones máximas han sido multiplicadas por Q,
observándose que en la dirección 𝑦𝑦 no se cumple con la normatividad; sin embargo
obsérvese que en la misma dirección no se cumple la normatividad para los niveles 5,
4, y 2.
4. Conclusiones
Se logró calibrar un modelo matemático congruente con las frecuencias fundamentales
medidas experimentalmente, obteniendo un periodo experimental de 0.2405 s y uno
analítico de 0.3011 s en la dirección longitudinal y para la dirección transversal fueron
de 0.3705 contra 0.3433 s. Estos resultados son aceptables, como se pudo estimar en
la sección de resultados.
La diferencia entre el periodo experimental y analítico en la dirección longitudinal
es importante (del 25%); sin embargo, los cortantes basales y los desplazamientos
laterales cumplen con la normatividad, en cambio, en la dirección transversal la
diferencia entre los periodos es tan solo del 8%,y no se cumple la norma en cuanto a
las distorsiones de entrepiso. Por lo tanto las distorsiones de entrepiso que no cumplen
con la norma se atribuyen a la falta de rigidez en la dirección transversal.
Página 100
Finalmente desde el punto de vista de la norma, el edificio evaluado no cumple
un requisito, teniendo una diferencia del 45% entre la distorsión máxima calculada
(0.008696) y la permitida (0.006); razón por la cual se justifica una evaluación más
refinada,en investigaciones futuras; antes de tomar la decisión de reforzar el inmueble.
Agradecimientos
Se agradece la colaboración en la obtención de los registros de vibración ambiental
aHerlindo Méndez Romero y Marco Escamilla García, estudiantes de Maestría y
doctorado respectivamente de la Facultad de Ingeniería de la UNAM.
Se agradece también la colaboración de Abel Villagómez Castellanos, estudiante de
T.S.U en la Universidad Tecnológica de la Costa Grande de Guerrero.
Se agradece al Programa del Mejoramiento del Profesorado el patrocinio otorgado y a
la empresa HolidayInn Ixtapa por su apoyo en la realización de los proyectos en los que
se basa este artículo.
Referencias
[1] Bazan E., Meli R. (2011).Diseño Sísmico de Edificios, 2ª Edición, Limusa. Balderas
95, México D.F. C.P. 06040. 317.
[2] Castelán I., García D. O., Reyes. R., Ayala M. G. (2002).Instrumento Virtual para la
Determinación de Propiedades Dinámicas de Estructuras. © CIMNE, Barcelona,
España. 10.
[3] Computers and Structures, (2005). Extended 3D Analysis of Building Systems
(ETABS) v.9.5.Inc. Berkeley, California, USA.
[4] García D. O., Torres G. J. Jaime., Ayala A. Gustavo. (2012). Determinación de las
propiedades dinámicas de plataformas marinas en el Golfo de México con fines de
evaluación de serviceabilidad y salud estructural al verse sometidas a acciones
ambientales y de operación de equipo. XVIII Congreso Nacional de Ingeniería
Estructural. Acapulco, Gro. 9.
[5] Gobierno del Distrito Federal (2004). Normas Técnicas Complementarias para
diseño por sismo. Gaceta oficial del Distrito Federal. 23.
Página 101
[6] Gobierno del Distrito Federal (2004). Normas Técnicas Complementarias para
diseño y construcción de estructuras de mampostería. Gaceta oficial del Distrito
Federal. 50.
[7] Gobierno Municipal del Municipio de Zihuatanejo de Azueta, (2011).Reglamento de
construcciones del municipio de Zihuatanejo de Azueta Guerrero. Gaceta Municipal.
155.
[8] Murià D., Alcántara L., Durán R., Macías M., Maldonado S., Pérez L.E., Tena A.,
Vázquez R. (1997).Edificios Instrumentados. Instituto de Ingeniería. UNAM. México
D.F. 20.
Página 102
Evaluación de un refrigerador solar intermitente para producción de
hielo con diversos evaporadores
Carlos Solorio Quintana1, Wilfrido Rivera Gómez-Franco2
1
Universidad Tecnológica de la Costa Grande de Guerrero, Carretera Nacional
Acapulco-Zihuatanejo km 201, Petatlán, Gro. México, C.P. 40830. Tel:
01(758)5382341, email: [email protected]
2
Centro de Investigación en Energía-UNAM, Privada Xochicalco s/n, Col. Centro,
Temixco, Mor. México. C.P. 96530, 01 (777)3620098 email: [email protected]
Resumen
En el presente artículo se describe la evaluación de un refrigerador solar intermitente
para producción de hielo,
que pueda ser usado en regiones aisladas del servicio
eléctrico y con necesidad de conservación de medicamentos o alimentos. El estudio
está enfocado a la evaluación comparativa del funcionamiento del sistema utilizando
alternadamente dos evaporadores de serpentín, con áreas de transferencia diferentes y
por lo tanto
dimensiones diferentes, usando un receptor de acero inoxidable. Los
resultados obtenidos muestran una eficiencia del colector parabólico compuesto (CPC)
de 0.135, alcanzando temperaturas máximas de 115ºC y un coeficiente de operación
solar (COPs) de 0.033 para el sistema de refrigeración, con temperaturas en el
evaporador de -22ºC. En los evaporadores evaluados se logra incrementar la eficiencia
de evaporación 13% en el evaporador II respecto al evaporador I.
Palabras clave
Refrigeración solar, refrigeración intermitente, refrigeración por absorción, refrigerador
autónomo.
Página 103
Introducción
El consumo de energía debido a los sistemas de refrigeración representa gran parte de
la energía primaria a nivel mundial, tal energía proviene en su mayoría de combustibles
fósiles, los cuales se irán encareciendo y en un futuro próximo se agotaran. Además el
uso de estos combustibles fósiles producen grandes cantidades de contaminantes que
están provocado el deterioro ambiental con problemas como el calentamiento global y
la lluvia ácida [1].
El sistema de refrigeración por absorción intermitente se plantea como alternativa
a los sistemas tradicionales de refrigeración por compresión y consiste en un sistema
de refrigeración para producir hielo que funciona con energía solar,
ideal para
proveer de sistemas de refrigeración áreas rurales aisladas del suministro de
electricidad y al ser un equipo autónomo representa una opción para la disminución de
CO2 y para el ahorro de energía al evitar el consumo de electricidad y de combustibles
fósiles [2].
Los sistemas de absorción funcionan con un par de sustancias que tienen gran
afinidad y diferente volatilidad, donde la sustancia más volátil es el refrigerante y el
menos volátil es el absorbente. La compresión del refrigerante se efectúa por adición de
calor, por lo que es llamado termo compresión y se logra cuando se calienta la solución
y el refrigerante se evapora separándose del absorbente. El sistema de refrigeración
utiliza la mezcla de nitrato de litio-amoniaco por ser la alternativa más conveniente
desde el punto de vista termodinámico para este tipo de sistemas [3], utilizando las
correlaciones de Infante-Ferreira (1984) para los datos de equilibrio de la mezcla binaria
al 50% [4].
El presente trabajo surge por la necesidad de mejorar la etapa de evaporación
del prototipo construido en el Centro de Investigación en Energía (CIE-UNAM),
enfocando el estudio al comportamiento de dos elementos del sistema, la eficiencia del
colector parabólico compuesto (CPC) con el receptor construido de acero inoxidable y
Página 104
a la eficiencia del evaporador al incrementar el área de transferencia, buscando una
mayor eficiencia.
Desarrollo
El sistema utilizado para el desarrollo de las pruebas experimentales se muestra en la
figura 1, consiste
almacenamiento,
de un generador-absorbedor, un condensador, un tanque de
un tubo capilar de 0.501 mm de diámetro como
dispositivo de
expansión y el evaporador de serpentín. El receptor del CPC funciona como generador
en la etapa de generación y como absorbedor en la etapa de evaporación, contiene la
mezcla de nitrato de litio y amoniaco que funcionan como absorbente y refrigerante
respectivamente.
Fig. 1: Refrigerador solar intermitente.
El funcionamiento es en dos etapas, durante el día la radiación solar incidente
sobre el CPC, calienta la mezcla de nitrato de litio-amoniaco del receptor hasta lograr la
evaporación del amoniaco, el cual pasa al condensador para ser enfriado con agua a
condiciones ambientales y condensado se deposita en el tanque de almacenamiento.
Durante la noche el amoniaco líquido se hace pasar a través del dispositivo de
expansión, obteniéndose un decremento de la presión y la temperatura, lográndose con
esto el efecto refrigerante en el evaporador. El ciclo se cierra cuando el vapor de
amoniaco que sale del evaporador se absorbe en el nitrato de litio del
generador/absorbedor.
Página 105
El CPC de la figura 2a, consiste de un tubo receptor de acero inoxidable de 0.152
m de diámetro y longitud de 1.5 m, cubierto de SOLKOTE, un recubrimiento con
absortibidad de 0.90 y emisividad de 0.3. El área de apertura es de 2.45 m2 y una
relación de concentración de 3.4. La superficie reflectora es lamina de aluminio cuya
reflectancia es ρ=0.85.
Fig. 2: a) Sistema de captación solar CPC
b) Evaporador de serpentín de aluminio
La figura 2b muestra el evaporador de serpentín fabricado de tubo de aluminio
de 1/4” y en la figura 3 se muestran las dimensiones de los dos evaporadores que se
diseñaron para utilizase en las pruebas. El agua se coloca en charolas de aluminio
sobre las rejillas del evaporador, permitiendo la transferencia de calor desde el agua
colocada sobre las charolas hacia el refrigerante que fluye dentro de los tubos. El
tanque de almacenamiento de amoniaco se construyó de acero al carbón con una
capacidad de 8.5 litros.
Fig. 3: Dimensiones de los evaporadores evaluados, EI(izquierda) y EII(derecha)
Página 106
Las pruebas experimentales se realizan en un día completo, iniciando la
generación a las nueve de la mañana, finalizando cuando la radicación decae en
niveles inferiores a 700 W/m2, aproximadamente a las 4:00 pm y durante la noche se
realiza corrida de evaporación.
Los objetivos de las pruebas experimentales son obtener el COPs del sistema de
refrigeración solar y determinar la eficiencia de evaporación en cada uno de los
evaporadores para comparar su funcionamiento. En la figura 3 podemos ver el diseño
de cada uno de los evaporadores con los que se realiza la evaluación, un incremento
del 18% en el área del evaporador II respecto al evaporador I, aumenta el número de
dobleces en el tubo y se espera una mayor transferencia.
La medición de los parámetros importantes se realiza con un sistema de
adquisición Agilent modelo 34070A de HP y
diferentes sensores distribuidos
estratégicamente en el sistema, tomando lecturas cada 10 segundos de presión,
temperaturas e irradiación durante las pruebas, con los cuales se determinan los
siguientes parámetros, el coeficiente de operación solar (COPs), definido por la relación
del calor retirado al agua en el evaporador (QW) y la energía recibida de la radiación
solar (Qr). En la evaluación de los evaporadores se definen dos relaciones, eficiencia
del evaporador (Eev) y la relación de producción de hielo (RCW). El coeficiente de
operación se determina para un ciclo completo del refrigerador, usando los datos de las
etapas de generación y de evaporación.
𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃𝑠𝑠 =
𝑄𝑄𝑤𝑤
𝑄𝑄𝑟𝑟
(1)
La extracción de calor para el congelamiento del agua se define por dos
procesos, extracción del calor sensible de agua al enfriarse desde la temperatura
ambiente hasta 0°C y el calor latente de congelación.
𝑄𝑄𝑊𝑊 = 𝑚𝑚𝐻𝐻2 𝑂𝑂 �𝐶𝐶𝐶𝐶 ∆𝑇𝑇 + ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖 �
(2)
Página 107
La energía debido a la radiación solar (Qr) está representado por la ecuación (3),
que calcula la suma del producto de la radiación global instantánea por el tiempo
transcurrido en cada medición por el área de apertura del CPC.
𝑄𝑄𝑟𝑟 = � 𝐺𝐺𝑖𝑖 𝑡𝑡 𝐴𝐴𝑎𝑎
(3)
La eficiencia de evaporación se considera como la relación entre el calor retirado
del agua (QW) y el calor absorbido por el refrigerante al pasar por evaporador (Qev).
𝐸𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒 =
𝑄𝑄𝑊𝑊
𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒
(4)
Otro parámetro tomado en cuenta para definir el comportamiento de los
evaporadores es la relación de hielo formado con respecto al amoniaco utilizado.
𝑅𝑅𝐶𝐶𝐶𝐶 =
𝑚𝑚ℎ𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑚𝑚𝑁𝑁𝐻𝐻3
(5)
La cantidad de hielo se obtiene pesándolo al momento que termina la prueba y la
cantidad de amoniaco gastado con una medición indirecta, determinado el volumen por
diferencia de nivel al inicio y al final de la prueba, calculando la masa a la temperatura
promedio del tanque de acuerdo con la siguiente ecuación.
𝑚𝑚𝑁𝑁𝐻𝐻3 = 𝜌𝜌(𝑇𝑇𝑇𝑇 ) �𝑉𝑉𝑓𝑓 − 𝑉𝑉𝑖𝑖 �
(6)
La eficiencia del CPC se obtiene relacionando la radiación que incide sobre él y
la energía aprovechada o calor útil de generación (Qug).
𝜂𝜂𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 =
𝑄𝑄𝑢𝑢𝑢𝑢
𝑄𝑄𝑟𝑟
(7)
Página 108
El calor útil de generación representa el calor absorbido por la solución para
lograr la evaporación del amoniaco y es igual al calor sensible de la solución más el
calor latente de vaporización del amoniaco más el calor sensible de sobrecalentamiento
del amoniaco.
𝑄𝑄𝑢𝑢𝑢𝑢 = 𝑄𝑄𝑠𝑠 + 𝑄𝑄𝑙𝑙 + 𝑄𝑄𝑠𝑠𝑠𝑠
(8)
Resultados
De acuerdo a las pruebas experimentales realizadas en el CIE, se obtiene que la etapa
de generación produce en promedio 2.6 litros amoniaco en tiempos promedios de 5.5
horas por día de operación, la radiación global (G) se muestra en la figura 4a y el
comportamiento del generador se puede ver en 4b, donde la temperatura alcanza
niveles de 92ºC y la presión se mueve en un rango de 4 a 15 bar.
Fig. 4:
a) Radiación en la generación
b) T y P en la generación
El comportamiento de la temperatura de salida del condensador se mantiene casi
constante alrededor de los 31ºC, con una tendencia similar a la temperatura ambiente.
Se obtiene una eficiencia promedio del CPC de 0.135 y coeficiente de operación COPs
promedio de 0.033, que de acuerdo a un análisis estadístico no existe diferencia entre
los resultados obtenidos con cada uno de los evaporadores.
Página 109
Fig. 5: a) Evaporación con EI
b) Evaporación con EII
Las figuras 5a y b muestran que el comportamiento de los dos evaporadores, es
muy similar en las condiciones de operación alcanzadas, pero el evaporador II logra
temperatura de la válvula (Tv) más bajas y se mantiene en valores inferiores a -13ºC,
mientras que el evaporador I al finalizar el proceso alcanza valores próximos a -8ºC,
valores que están directamente relacionados a la temperatura del absorbedor (TAs), que
se mantiene en nivel más bajo con el evaporador II,
Fig. 6: Resultados comparativos de los evaporadores I y II
En la figura 6, se muestran los resultados de los dos evaporadores evaluados,
representados por la media y el error estándar, observándose mejores valores tanto en
la eficiencia de evaporación como en la relación de congelación del evaporador II,
Página 110
cumpliendo parte del objetivo planteado, sin embargo aumentar el área del evaporador
provocara una mayor caída de presión, lo cual muestra las limitaciones con un sistema
de serpentín abriendo la alternativa de buscar un nuevo diseño de un evaporador que
ofrezca un contacto más directo entre el refrigerante y el agua a congelar e incrementar
la transferencia de calor y así poder
incrementar la eficiencia del sistema de
refrigeración. En lo que respecta al receptor de acero inoxidable, permitió conocer su
comportamiento y sus características para un funcionamiento a las condiciones de
operación del sistema.
Conclusiones
De acuerdo a los resultados de la evaluación del refrigerador solar intermitente para
producción de hielo, el incremento de 18% en el área del evaporador incrementa la
eficiencia del evaporador (Eev) 13% y la relación de congelación (Rcw) 25%, sin
embargo el coeficiente de operación solar (COPs) presenta valores en un rango de
0.032 a 0.034, afectado principalmente por las características del receptor pero no por
las dimensiones del evaporador.
Referencias
[1] Kim, D. Infante-Ferreira, C.A. (2008). Solar refrigeration options- a state of the art
review. International Journal of refrigeration, 31, 3-15.
[2] Rivera, W., Moreno-Quintanar, G., Rivera, C.O., Best, R. (2011). Evaluation of a
solar intermittent refrigeration system for ice production with ammonia/lithium nitrate.
Solar energy, 85, 38-45.
[3] Sun, D. (1997). Thermodynamic design data and optimum design for absorption
refrigeration system. Applied Thermal Engineering.
[4] Infante-Ferreira, C.A. (1984). Thermodynamic and physical property data equations
for ammonia-lithium nitrate and ammonia sodium thiocyanate solutions. Solar
Energy. 32 (2), 231-236.
Página 111
Calidad de la energía en sistemas fotovoltaicos funcionando en la
modalidad tipo isla
1
Ángel Marroquín de Jesús, 2Juan Manuel Olivares Ramírez, 3Jaime Hernández Rivera
1, 2,3
Universidad Tecnológica de San Juan del Río, División de Química, Mantenimiento
Industrial y Energías Renovables.
Cuerpo Académico de Mantenimiento Industrial.
Av. La Palma no. 125 Col. Vista Hermosa, San Juan del Río, Qro. C.P 76800. México
1
Resumen
En el presente trabajo se describe el funcionamiento de un sistema de generación de
energía eléctrica tipo fotovoltaico, que alimenta a una casa habitación, la cual es
simulada con una instalación eléctrica
realizada sobre un tablero, se realizan
mediciones de parámetros eléctricos así como de las perturbaciones que afectan a la
calidad
de
la
energía
comparando
el
funcionamiento
de
diversos
enseres
electrodomésticos cuando estos son alimentados con voltaje proveniente de la red de
la Comisión Federal de Electricidad y con el sistema de generación eléctrica del tipo
fotovoltaico, se analiza
el impacto en el funcionamiento
de los enseres
electrodomésticos que utilizan motores eléctricos para el funcionamiento.
Palabras claves
Energía solar, sistemas fotovoltaicos, calidad de la energía, armónicos.
1. Introducción
Desde los inicios de la existencia del hombre, su desarrollo ha estado determinado en
gran medida por la utilización
de las diferentes formas de energía según las
necesidades y disponibilidades de cada momento y lugar. En un inicio las energías
Página 112
renovables eran utilizadas en forma de biomasa, viento, agua y sol, por lo que deben
ser consideradas coma la base energética del desarrollo humano. Sin embargo, con la
aparición de los recursos energéticos fósiles el uso de la energía se convirtió en algo
muy fácil, más eficiente y barato. Esto ha ocasionado un consumo indiscriminado de
este tipo de energía hasta límites insostenibles que han ocasionado que todos los en
vías de desarrollo y países desarrollados, realicen continuos esfuerzos en un intento de
mejorar la eficiencia de la utilización de la energía y, en definitiva, reducir el consumo
de recursos fósiles.
Dentro de las energías renovables, la energía solar fotovoltaica es hoy en día y
sin lugar a dudas, una forma limpia y fiable de producción de energía eléctrica a
pequeña escala. Se define
como la tecnología utilizada para el aprovechamiento
eléctrico de la energía solar que se deriva de las células fotovoltaicas. Mediante las
células, la radiación se transforma directamente en electricidad aprovechando las
propiedades de los materiales semiconductores.
Normalmente se pueden distinguir tres elementos fundamentales en la estructura
física de un sistema fotovoltaico:
1. El campo fotovoltaico
2. Sistema de acondicionamiento de la potencia
3. Sistema de adquisición de datos.
2. Calidad de la energía
La calidad de la energía se entiende cuando la energía eléctrica es suministrada a los
equipos y dispositivos con las características y condiciones adecuadas que les permita
mantener su continuidad sin que se afecte su desempeño ni provoque fallas a sus
componentes. Una de las perturbaciones que se presentan en estado estable
corresponden a las armónicas, que son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental
así la armónica 1 corresponde a 60 Hz,
la 2 a 120 Hz, la 3 a 180 Hz y así
Página 113
sucesivamente. Esta ditorsión (periódica) de la forma de onda senoidal del voltaje o
corriente, es causada por la operación de equipos no lineales tales como rectificadores,
equipos que utilizan dispositivos de electrónica de potencia en su operación, lámparas
fluorescentes, equipo de cómputo, hornos de arco eléctrico, entre otros. Este es un
fenómeno en estado estable.
Fig. 2.1 Distorsión armónica.
La tendencia en México, impulsada por la Comisión Federal de Electricidad, es
de implantar el estándar IEEE-519 titulado “Recommended
Practices and
Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”, la tabla 2.1 muestra
los límites de distorsión en voltaje.
Tabla 2.1 Límites de distorsión de voltaje.
Voltaje del bus
Distorsión individual
de voltaje (IHD)
Distorsión armónica
total (THD)
<69 kV
3.0
5.0
69kV <Vbus< 161 kV
1.5
2.5
>161 kV
1.0
1.5
Página 114
La cantidad de distorsión que presenta una forma de onda de tensión o corriente se
cuantifica mediante un índice llamado distorsión armónica total (THD), definido para
tensiones y corrientes por las ecuaciones 1 y 2, donde V1 y I1 son las componentes
fundamentales de tensión y corriente respectivamente, y Vh y Ih los armónicos h. Todos
en términos eficaces.
(1)
(2)
3. Desarrollo
La Universidad Tecnológica de San Juan del Río, ofrece la carrera de Ingeniería en
Energía Renovable, parte del equipamiento con el que se cuenta para la realización de
prácticas
consta de un sistema fotovoltaico conformado por tres paneles, un
controlador de carga, baterías y un inversor, la fig. 3.1 muestra el sistema antes
descrito.
Fig. 3.1 Sistema fotovoltaico.
En el segundo cuatrimestre los alumnos cursaron la materia de instalaciones eléctricas,
como parte de una práctica se construyó
en un tablero la instalación
eléctrica
representando la que se puede tener en una casa habitación. La fig. 3.2 muestra los
detalles de la instalación eléctrica construida de conformidad con la norma NOM 001SEDE 2005.
Página 115
Fig. 3.2 Instalación eléctrica construida.
Experimentación
Utilizando un medidor de armónicos Fluke® 41B, se midieron los parámetros eléctricos
en terminales del inversor, la fig. 3.3 muestra los resultados, el voltaje generado por el
sistema fotovoltaico, que más tarde se suministró a la instalación eléctrica mostrada en
la Fig. 3.2 mediante un cable AWG Cal. 8, que pasa por la base del medidor y llega a
un centro de carga QO2 maraca Square D,
donde se tienen instalados dos
interruptores termomagnéticos de 15 Amp a 10 kA de capacidad interruptiva marca
Square D, un interruptor controla el alumbrado y el otro los contactos existentes en la
instalación.
200
Voltaje 58.8 Hz THDv=28.04
150
Volts rms
1Ø
Espectro
100
100
50
Volts 1Ø
2.12
4.25
6.37
8.49
10.61
12.74
14.86
DC
-100
2
1
-200
4
3
6
5
8
7
12
10
9
11
14
13
18
16
15
17
20
19
22
21
Armonicos
24
23
26
25
28
27
mSec
Fig. 3.3 Forma de onda de voltaje medida en terminales del inversor de onda modificada.
Página 116
30
29
31
La figura 3.4muestra la forma de onda y el espectro armónico medidas en un
tomacorriente ubicado en el laboratorio de termodinámica de la Universidad
Tecnológica de San Juan del Río, Qro., puede apreciarse que la forma de onda
presenta un ligera deformación ocasionada por equipo de cómputo y lámparas de
alumbrado, encontrándose magnitudes de los armónicos 3, 5,7 y 9 respectivamente.
200
150
Voltaje 59.96 Hz THDv=2.56
Espectro
Volts rms
1Ø
100
100
Volts 1Ø
0
2.08
4.17
6.25
8.34
10.42
12.51
50
14.59
-100
mSec
DC
-200
2
1
4
3
6
5
8
10
7
9
12
11
14
13
16
15
18
17
20
19
22
21
24
23
26
25
28
27
30
29
31
Armonicos
Fig. 3.4 Forma de onda de voltaje medida en un tomacorriente.
Para conocer el comportamiento de diversos equipos electrodomésticos
operando con un voltaje generado por un sistema fotovoltaico, se conectaron en los
tomacorrientes de la instalación eléctrica diversos equipos entre ellos: ventilador,
licuadora, tenazas para el cabello, televisor, reproductor de DVD, grabadora, batidora,
incubadora de pollos, focos ahorradores, taladro, cargador de celular, plancha,
sandwichera, entre otros. Los equipos se conectaban y se dejaban operando durante
cinco minutos en cada condición de alimentación de voltaje.
Tabla 3.1. Parámetros eléctricos de la batidora alimentada por el sistema fotovoltaico y por la red de CFE.
SISTEMA FOTOVOLTAICO
Voltaj
e
58.89
RMS
118.2
Corrient
e
0.45
Pico
DC Offset
Crest
THD Rms
THD Fund
HRMS
0.58
-0.02
1.29
21
21.47
0.09
Frecuenci
a
Potencia
Watts
VA
Vars
W pico
Fase
53.19
52
3
91
4° lead
F.P. Total
DPF
0.97
1
KFactor
156.5
0.69
1.32
27.05
28.1
31.92
3.33
RED DE C.F.E
Voltaje
59.96
59
60
0
128
1°
lead
1
1
Corriente
RMS
127.55
0.47
Pico
DC Offset
Crest
THD Rms
THD Fund
HRMS
180.1
-0.15
1.41
2.23
2.23
2.85
0.67
-0.03
1.42
7.55
7.57
0.04
KFactor
1.63
Página 117
Se observa una disminución en la frecuencia
a 58.89 Hz, para cuando el
electrodoméstico es alimentado por el voltaje proveniente del sistema fotovoltaico, el
dispositivo no desarrolla toda su potencia llegando tan solo a 53.19 W, el THD es del
27.05%, presenta una disminución de su velocidad y por consiguiente el dispositivo
entrega poca potencia, comparada cuando es alimentada por la red de CFE, la potencia
es de 59 W, se tiene una forma de onda con un THDv del 2.23%, el equipo desarrolla
toda su potencia. El voltaje suministrado por el sistema fotovoltaico es de 118.2 V se
encuentra dentro del rango permisible del ±10%.
Tabla 3.2. Parámetros eléctricos de la licuadora alimentada por el sistema fotovoltaico y por la red de CFE.
Frecuenci
a
Potencia
Watts
VA
Vars
W pico
Fase
F.P. Total
DPF
Voltaj
e
58.89 RMS
107.2
6
Pico
134.3
5
107 DC Offset
-0.52
151 Crest
1.25
78 THD Rms
25.11
357 THD Fund
25.94
37° lag
HRMS
26.74
0.71
0.8
KFactor
Corrient
e
1.41
RED DE C.F.E
Voltaje
59.96
2.63
-0.07
1.87
42.36
46.76
0.59
3.62
0.2
0.22
0.07
0.53
18°
lag
0.93
0.95
Corriente
RMS
123.88
1.76
Pico
177.03
3.02
-0.18
1.43
3.09
3.09
3.83
-0.03
1.71
23.64
24.33
0.42
DC Offset
Crest
THD Rms
THD Fund
HRMS
KFactor
1.74
Se observa una disminución en la frecuencia para cuando el electrodoméstico es
alimentado por el voltaje proveniente del sistema fotovoltaico, el dispositivo no
desarrolla toda su potencia llegando tan solo a 107 W, el THD es del 25.11%, presenta
una
disminución de su velocidad y por consiguiente el dispositivo entrega poca
potencia, l voltaje suministrado por el sistema fotovoltaico es de 107.26 V se encuentra
fuera del rango permisible del ±10% de variación del voltaje. Cuando es alimentada por
la red de CFE, la potencia es de 200 W, se tiene una forma de onda con un THDv del
3.09%, el equipo desarrolla toda su potencia.
Página 118
Tabla 3.3. Parámetros eléctricos del taladro alimentado por el sistema fotovoltaico y por la red de CFE.
Frecuenci
a
Potencia
Watts
VA
Vars
W pico
Fase
F.P. Total
DPF
Voltaj
e
58.89
RMS
115.6
2
Pico
148.2
9
181.31
DC Offset
0.72
191.41
Crest
1.28
40.07
THD Rms
26.15
308.17
THD Fund
27.09
13° lag
HRMS
30.2
0.95
KFactor
0.98
Corrient
e
1.66
RED DE C.F.E
Voltaje
59.96
2.22
-0.02
1.34
12.02
12.1
0.2
1.89
0.24
0.25
0.01
0.58
3° lag
0.99
1
Corriente
RMS
123.75
2
Pico
176.86
3.26
-0.18
1.43
3.13
3.13
3.87
-0.03
1.63
13.74
13.88
0.27
1.25
DC Offset
Crest
THD Rms
THD Fund
HRMS
KFactor
Se observa una disminución en la frecuencia 58.89 Hz, para cuando el taladro
es alimentado por el voltaje proveniente del sistema fotovoltaico, el dispositivo no
desarrolla toda su potencia llegando tan solo a 181.31 W, el THD es del 26.15%,
presenta una disminución de su velocidad y por consiguiente el dispositivo entrega
poca potencia, el voltaje suministrado por el sistema fotovoltaico es de 115.62 V, se
encuentra dentro del rango permisible del ±10% de variación del voltaje ,el consumo en
corriente disminuye a 1.66 A. Cuando es alimentada por la red de CFE, la potencia es
de 240 W, se tiene una forma de onda con un THDv del 3.09%, el equipo desarrolla
toda su potencia, la corriente consumida por el equipo es de 2 A.
Tabla 3.4. Parámetros eléctricos de una grabadora alimentada por el sistema fotovoltaico y por la red de CFE.
Frecuenci
a
Potencia
Watts
VA
Vars
W pico
Fase
F.P. Total
DPF
Voltaj
e
58.89
RMS
118.5
2
Pico
156.4
12.31
DC Offset
-0.91
14.41
Crest
1.32
1.07
THD Rms
27
28.17
THD Fund
28.04
8° lag
HRMS
31.95
0.82
0.99
KFactor
Corrient
e
0.12
0.18
-0.01
1.45
53.11
62.68
0.06
**OL**
RED DE C.F.E
Voltaje
59.96
11
14
1
31
6°
lead
0.81
0.99
Corriente
RMS
125.78
0.12
Pico
DC Offset
Crest
THD Rms
THD Fund
HRMS
179.61
0.06
1.43
2.56
2.56
3.22
0.17
0.02
1.41
52.57
61.8
0.06
KFactor
Se observa una disminución en la frecuencia 58.89 Hz,
8.87
para cuando la
grabadora es alimentada por el voltaje proveniente del sistema fotovoltaico, el
Página 119
dispositivo desarrolla toda su potencia llegando a 12.311 W, el THD es del 27%, el
voltaje suministrado por el sistema fotovoltaico es de 118.62 V, se encuentra dentro
del rango permisible del ±10% de variación del voltaje, el consumo en corriente es de
0.12 A. Cuando es alimentada por la red de CFE, la potencia es de 11 W, se tiene una
forma de onda con un THDv del 2.56%, el equipo desarrolla toda su potencia, la
corriente consumida por el equipo es de 0.12 A.
Tabla 3.5. Parámetros eléctricos de un televisor alimentado por el sistema fotovoltaico y por la red de CFE.
Frecuenci
a
Potencia
Watts
VA
Vars
W pico
Fase
F.P. Total
DPF
Voltaj
e
58.89
RMS
118.0
2
Pico
156.7
4
53
DC Offset
-1.06
74
Crest
1.33
24
THD Rms
27.25
412
THD Fund
28.32
28° lead
HRMS
32.13
0.71
0.88
KFactor
Corrient
e
0.63
RED DE C.F.E
Voltaje
59.96
2.72
-0.03
4.29
69.67
97.12
0.44
**OL**
45
84
15
386
19°
lead
0.54
0.95
Corriente
RMS
127.47
0.66
Pico
180.25
2.17
DC Offset
Crest
THD Rms
THD Fund
HRMS
-0.14
1.41
2.33
2.33
2.97
-0.03
3.28
81.95
142.99
0.54
KFactor
28.34
Se observa una disminución en la frecuencia 58.89 Hz, para cuando el televisor
es alimentado por el voltaje proveniente del sistema fotovoltaico, el dispositivo
desarrolla toda su potencia llegando a
53 W, el THD es del 27.25%, el voltaje
suministrado por el sistema fotovoltaico es de 118.02 V, se encuentra dentro del rango
permisible del ±10% de variación del voltaje, el consumo en corriente es de 0.63 A.
Cuando es alimentada por la red de CFE, la potencia es de 45 W, se tiene una forma de
onda con un THDv del 2.56%, el equipo desarrolla toda su potencia, la corriente
consumida por el equipo es de 0.66 A.
Página 120
Tabla 3.6. Parámetros eléctricos de un foco ahorrador alimentado por el sistema fotovoltaico y por la red de CFE.
Frecuenci
a
Potencia
Watts
VA
Vars
W pico
Fase
F.P. Total
DPF
Voltaj
e
59.04 RMS
118.1
9
Peak
157.7
7
30.31 DC Offset
1.08
67.41 Crest
1.33
9.07 THD Rms
27.24
339.17 THD Fund
28.31
20° lead
0.45
0.94
HRMS
32.16
KFactor
Corrient
e
0.57
RED DE C.F.E
Voltaje
59.96
2.72
-0.02
4.76
88.26
187.72
0.47
**OL**
20.14
39.42
18.39
123.6
1
41°
lead
0.53
0.76
Corriente
RMS
124.19
0.32
Peak
178.13
0.84
-0.08
1.43
3.19
3.2
0
2.64
68.66
94.43
3.97
0.22
DC Offset
Crest
THD Rms
THD Fund
HRMS
KFactor
20.08
Se observa una disminución en la frecuencia 59.04 Hz, para cuando el foco
ahorrador es alimentado por el voltaje proveniente del sistema fotovoltaico, la potencia
desarrollada por el el dispositivo
es de 30.31W, el THD es del 27.24%, el voltaje
suministrado por el sistema fotovoltaico es de 118.19 V, se encuentra dentro del rango
permisible del ±10% de variación del voltaje, el consumo en corriente es de 0.57 A.
Cuando el foco es alimentado por la red de CFE, la potencia es de 20.19 W, se tiene
una forma de onda con un THDv de3.19%, el equipo desarrolla toda su potencia, la
corriente consumida por el equipo es de 0.32 A. Esto es debido a que el foco ahorrador
tiene balastro electrónico.
Efectos y consecuencias de los armónicos
Cualquier señal que circule por la instalación eléctrica, ya sea de corriente o de tensión,
y cuya forma de onda no sea senoidal, puede provocar daños en ella o en los equipos
conectados a la misma, entre ellos destacan: Calentamiento de conductores, disparo de
protecciones sin causa aparente, resonancia, vibraciones y acoplamientos, deterioro de
la forma de onda de tensión (achatamiento), tensión entre neutro y tierra distinto de
cero. Lo que trae como consecuencia el calentamiento de motores asíncronos, en
cables y capacitores.
Página 121
De acuerdo con la especificación de la CFE G0100-04, relativa a Interconexión a
la red eléctrica de baja tensión de sistemas fotovoltaicos con capacidad hasta 30 kW,
los niveles de tensión deben de tener una tolerancia del ± 10 % de la tensión eficaz
nominal en la regulación de tensión de sistemas de distribución de baja tensión para
sistemas menores o iguales a 1000 V. En el apartado de regulación de la frecuencia el
nivel de control establecido es de 59.2 Hz a 60.8 Hz. Los límites de distorsión armónica
de tensión en el punto común de acoplamiento (PAC) son los mostrados en la tabla 14.
Tabla 3.13. Límites de distorsión armónica de tensión.
Tensión en kV
V<1kV
Clasificación de
tensión
Baja tensión
Distorsión armónica
total en %
8.0%
Límite para armónicos
individuales en %
6.0
4. Conclusiones
Se ha realizado el monitoreo de parámetros eléctricos en distintos electrodomésticos
utilizando dos fuentes de voltaje: a) sistema fotovoltaico operando en la modalidad tipo
isla y b) el suministrado por la red de la C.F.E., para los dispositivos que utilizan
resistencias eléctricas en su funcionamiento no se observan problemas, por otro lado
electrodomésticos tales como: licuadora, batidora, taladro, televisor, foco ahorrador,
grabadora, presentan una disminución en la potencia, el inversor está entregando una
frecuencia por debajo de lo permitido por la especificación CFE-G0100-04 en todos los
casos, el inversor es de onda senoidal modificada, el valor de la distorsión armónica
total en voltaje THDv que se midió en terminales en la mayoría fue de 27%, este valor
rebasa lo establecido en la especificación antes mencionada, la variación de voltaje
está relacionada con las condiciones de radiación solar incidente sobre los módulos
fotovoltaicos, los equipos que utilizan motores al ser alimentados con un bajo voltaje,
estos demandan más corriente lo que se traduce en un sobrecalentamiento lo cual
incide directamente en un envejecimiento acelerado de su aislamiento sólido.
La solución al problema de los armónicos es eliminar los síntomas y no el origen,
ya que los aparatos que crean los armónicos generalmente constituyen una pequeña
parte de la carga y eliminar su uso no es posible, además de que modificar esos
Página 122
equipos para que no causen armónicos tampoco es factible. Lo que queda es reducir
los síntomas incrementando la tolerancia del equipo y del sistema a los armónicos o
modificar los circuitos y los sistemas para reducir su impacto, y atrapar o bloquear los
armónicos con filtros. En casos de sobrecarga, daño de equipo o diseño inapropiado,
estas causas que generan armónicos pueden ser corregidas, modificando o
reemplazando dichos equipos.
Agradecimientos
Los autores agradecen a la Universidad Tecnológica de San Juan del Río, por el apoyo
brindado para la presentación del presente trabajo, de igual manera al cuerpo
académico de mantenimiento industrial por las observaciones realizadas que
contribuyeron al mejoramiento del mismo.
Referencias
[1] Especificación CFE G0100-04 (2009). “Interconexión a la red eléctrica de baja
tensión de sistemas fotovoltaicos con capacidad hasta de 30 kW” Sandoval,
Rodrigo.
[2] Iyo Horikoshi (2009). Análisis de las componentes armónicas de los inversores
fotovoltaicos de conexión a red. Universidad Carlos III de Madrid, Escuela
Politecnica Superior. Proyecto de Fin de Carrera.
[3] Std IEEE 519 (1992). “Recommended Practices and Requirements for Harmonic
Control in Electrical Power Systems”
[4] Especificación CFE L0000-45 (2005). “Perturbaciones permisibles en las formas de
onda de tensión y corriente del suministro de energía eléctrica”
[5] Ángel Marroquín de Jesús (2011). “Calidad de la energía en sistemas eléctricos
industriales” Editorial Académica Española. ISBN: 978-3846560945.
[6] Ángel Marroquín de Jesús (2013). “Notas del curso energía renovable” tercer
cuatrimestre Universidad Tecnológica de San Juan del Río, Qro.
[7] Manual del equipo Fluke 41 B (2000).
Página 123
Estudio del potencial de aplicación de la energía solar fotovoltaica en
el Estado de Coahuila
Edwin Andres Pineda De La O1, Everardo Efrén Granda Gutiérrez2, Rodrigo Cuevas
Tenango3
1,2,3
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales S.A. de C.V.
Ciencia y Tecnología No. 790, Saltillo 400, C.P. 25290 Saltillo, Coahuila, México.
Teléfono 52 (844) 411 3200 Extensión 1162
1
[email protected]
Resumen
Se realizó un análisis para determinar clientes potenciales de paneles fotovoltaicos para
el estado de Coahuila de Zaragoza. A partir de datos de entrada tal como radiación
solar, tarifas eléctricas, consumo eléctrico, etc., se estima la viabilidad del uso de
diferentes tecnologías de paneles fotovoltaicos (monocristalinos, policristalinos y de
película delgada) para usuarios conectados a la red de energía eléctrica. Se
consideraron las tarifas eléctricas actuales básica y de alto consumo para la estimación
en las ciudades de Saltillo y Piedras Negras, se extrapolaron los resultados y se
estipularon los posibles usuarios en el estado de Coahuila.
Palabras claves
Paneles fotovoltaicos, Energía solar, factibilidad económica.
Página 124
1. Introducción
El año 2011 fue extraordinario para el crecimiento del mercado de paneles
fotovoltaicos. Casi 30 GW de capacidad fue adicionada, incrementándose casi 70 GW,
ver figura 1 y tabla 1. Se destaca que del año 2010 a finales del 2011 los sistemas
fotovoltaicos instalados crecieron un 75% [1].
Los países con más módulos fotovoltaicos instalados al final del 2011 fueron
Alemania, Italia, Japón, y España, seguido muy cerca por los Estados Unidos. La Unión
Europea domina el mercado fotovoltaico gracias a la aportación de Italia y Alemania, los
cuales agregaron más del 50% de la capacidad total operando en el mundo, ver tabla 1.
Muy por detrás de Europa, otros mercados importantes son China (2.1 GW), Estados
Unidos (1.9 GW) y Australia (0.8 GW) [1].
El tamaño del mercado global de la industria fotovoltaica excede los 100 billones
de dólares por año. También se notó reducción en los precios de los módulos
fotovoltaicos debido principalmente al incremento de la capacidad de producción,
innovación tecnológica, competencia entre las manufactureras, y una caída en el precio
del silicio. Alrededor de 15 manufactureras proveen el 49% de la producción mundial de
paneles solares, Suntech (China) es la principal abastecedora, seguida por First Solar
(US), Yingli Green Energy (China), Trina Solar (China) y Canadian Solar (Canadá).
Figura 1. Capacidad fotovoltaica instalada en el periodo 1996-2010.
Página 125
Tabla 2. Capacidad fotovoltaica agregada y acumulada en el mundo 2006-2011[1][2].
Adicionada
2006
2007 2008
País
2009
Existente
2010
2011
2006
2007
MW
2009 2010 2011
GW
Alemania
845
7,405
7,485
2.9
4.2
6.1
9.9
17.3
24.8
Italia
10
70
340
715
2,320
9,280
0.005
0.1
0.5
1.2
3.5
12.8
Japón
290
210
230
480
990
1,295
1.7
1.9
2.1
2.6
3.6
4.9
España
90
560
2,600
145
370
385
0.2
0.7
3.3
3.4
3.8
4.5
Estados Unidos
145
205
340
475
880
1,855
0.6
0.8
1.2
1.6
2.5
4
China
10
20
40
160
550
2,140
0.08
0.1
0.2
0.3
0.9
3.1
Francia
10
10
45
220
720
1,635
0.03
0.04
0.09
0.3
1
2.8
Bélgica
2
20
70
285
425
975
-
0.02
0.09
0.4
0.8
2
República Checa
-
3
60
400
1490
6
-
Australia
Otros países
europeos
Resto del Mundo
-
6
12
80
390
775
20
35
100
180
515
1,850
130
80
145
285
865
2,020
Total
1,270 1,950 3,795
2008
-
0.07
0.5
2
2
0.05
0.06
0.1
0.5
1.3
0.2
0.2
0.3
0.5
1
2.8
1.2
1.3
1.4
1.7
2.6
4.9
6.915
9.41
15.41
22.5
39.5
70
1,552 2,489 5,932 7,220 16,920 29,665
Total mundial
En 2006 todos los sistemas fotovoltaicos instalados en México se encontraban
en aplicaciones aisladas de la red eléctrica, es decir, eran proyectos de electrificación
rural, comunicaciones, señalamientos, bombeo de agua y refrigeración. A partir del
2007 se cuenta con información de aplicaciones conectadas a la red. En años recientes
esa tendencia se ha cambiado de tal manera que en 2010 de los 3.5 MW instalados,
alrededor del 94% fueron sistemas conectados a la red eléctrica [2].
De acuerdo con Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), del año 2001 al
2008 la capacidad instalada por año permaneció oscilante identificándose el 2006 como
el año con mayor capacidad instalada en el periodo, como se observa en la figura 2. De
los registros existentes el año 2009 presentó una capacidad instalada histórica de 5.71
MW. A pesar de ese gran paso en 2010 la capacidad instalada disminuyó pero aún fue
mayor que años posteriores al 2008.
En la figura 2 se muestra la evolución de la capacidad instalada y acumulada,
para la capacidad acumulada claramente se ve que los últimos tres años reportados
Página 126
son los que mayor incremento han presentado. Para muestra del rezago en el
aprovechamiento del recurso solar, los 28.6 MW acumulados hasta 2010 no se
comparan con los 7,485 MW instalados sólo en 2011 en Alemania. Sin embargo ya se
está buscando la promoción del uso de sistemas fotovoltaicos a través de programas
gubernamentales federales y otras instituciones internacionales.
Las principales aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos según información de
ANES para sistemas no conectados a la red son para satisfacer necesidades y
servicios básicos en comunidades o lugares remotos que no tienen acceso a energía
eléctrica. Los sistemas conectados a la red de la distribución de la Comisión Federal de
Electricidad (CFE) están enfocados
a cubrir los gastos energéticos en unidades
habitacionales, oficinas, industrias y otras. El excedente en algunos casos es
simbólicamente vendido a CFE.
Figura 2. Capacidad instalada y acumulada de módulos fotovoltaicos en México.
En junio del 2009 la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía
(CONUEE) y Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) publicaron
el documento Nichos de Mercado para sistemas fotovoltaicos en conexión a la red
eléctrica en México en donde se tenía por objetivos identificar los nichos de mercado de
sistemas fotovoltaicos para el sector residencial además de los sectores industrial y de
Página 127
servicios, identificarlos en potencia y en términos económicos además determinar el
impacto de los subsidios en los nichos identificados [3].
En el sector residencial se analizaron 29 ciudades identificadas por la CONUEE
(28 ciudades y el DF), para cada una se consideraron dos sistemas fotovoltaicos (uno
diseñado para suministro total y otro para suministro parcial de consumo de
electricidad).
Los nichos se identificaron cuando el costo total de la electricidad generada por
un sistema fotovoltaico en un periodo de 20 años es menor al costo de la compra de
electricidad a CFE. Para la determinación de los nichos se consideraron tres
escenarios: 1) precios actuales de los sistemas fotovoltaicos 2) reducción en el precio
de 20% en los próximos 5 años y 3) reducción en el precio de 50% en los próximos 5
años [3].
En el sector residencial existen siete tarifas, cada una para una región diferente
además de una tarifa adicional, tarifa doméstica de alto consumo (DAC), para aquellos
hogares que exceden cierto límite de consumo. En la opción donde el sistema
fotovoltaico para suministro parcial está diseñado para generar la cantidad necesaria
para que se aplique una tarifa más baja. Adicionalmente se consideran otras
perspectivas, sin cambio de tarifa y sin subsidios [3].
El estudio está basado en la comparación del costo del sistema fotovoltaico del
costo de suministro de electricidad de la red por veinte años. Los costos de electricidad
de la red se calcularon considerando un incremento anual. Primero se analizaron las
tarifas de los sectores para determinar el tamaño de los sistemas. De acuerdo al
volumen de consumo se dimensionaron los sistemas fotovoltaicos. Los costos de
inversión y de mantenimiento se calcularon de acuerdo al dimensionamiento de los
sistemas fotovoltaicos. El costo de la electricidad se considera fijo en el periodo de
tiempo de 20 años. En base a la comparación de los costos se generan la situación
actual y futura del mercado fotovoltaico en México [3]. Dicho análisis dio como resultado
Página 128
un modelo y una herramienta para un cálculo de factibilidad de uso de paneles
fotovoltaicos.
2. Desarrollo
Se uso una herramienta [4] para estimar los posibles usuarios de energía eléctrica
conectados a la red en el estado de Coahuila. Entre los datos de entrada para el uso
del modelo se encuentran tarifa eléctrica, radiación solar, costo de los paneles solares,
eficiencia, etc. Se tiene la opción de seleccionar algunas de las principales ciudades de
México. Se consideran algunos parámetros de entrada necesarios para los cálculos,
también es necesario conocer el consumo bimestral a lo largo de un año, seleccionar la
ciudad correspondiente, la forma en que se van a adquirir los paneles (contado o con
financiamiento), superficie disponible para los paneles y una estimación de la capacidad
a instalar (es opcional y es obtenido automáticamente). Se puede seleccionar entre
módulos policristalinos, monocristalinos y de película delgada. Los parámetros para
cada caso se observan en la tabla 2, cabe mencionar que éstos ya son proporcionados
por la herramienta.
Tabla 2. Parámetros para los cálculos [4].
Factor PR (Performance Ratio)
Policristalina
Monocristalina
Película Delgada
0.82
0.8
0.85
Módulo de Eficiencia
16
18
10
Pérdida en eficiencia debido a
temperaturas
elevadas(25°C
%/°C)
0.5
0.5
0.25
Capacidad (kW)
Precio ($)
0.5-1
50,000
56,120
51,500
1-5
47,500
53,314
48,925
5-10
45,125
50,648
46,478.8
10-15
42,868.8
48,115.9
44,154.8
>15
40,725.3
45,710.1
41,947.1
Tasa de Descuento ($)
4.3
Costo de Operación y
Mantenimiento del Sistema Fv
(%)
0.8
Página 129
Tasa de Incremento en las tarifas
eléctricas (%)
Tiempo de operación del sistema
FV
IVA (%)
4
20
16
Dado que sólo están disponibles algunas ciudades, sólo se hizo el análisis para
las ciudades de Saltillo y Piedras Negras del estado de Coahuila. De acuerdo con CFE
se tiene una tarifa 1 y 1E para Saltillo y para Piedras Negras respectivamente. Se
considero un consumo básico y para los límites inferior y superior de usuario DAC para
los cálculos 1. Para el caso de Saltillo se supuso un promedio bimestral 280 kWh para
estimar un consumo básico, como límite inferior y superior de usuario de alto consumo
fue de 498 kWh y 500 kWh de promedio bimestral respectivamente. Para el caso de
Piedras Negras la tarifa básica es diferente en verano y en invierno, por lo que los
promedios bimestrales considerados son 500 kWh, 500 kWh, 1500 kWh, 1500 kWh,
1500 kWh y 500 kWh, para los límites inferiores y superior de alto consumo son 3998
kWh y 4000 kWh.
Los parámetros restantes son proporcionados por la herramienta, los cuales
consideran especificaciones técnicas tal como factor pr, eficiencia del módulo, pérdida
de eficiencia por temperatura, precios de acuerdo a la capacidad, costos de
mantenimiento y algunos otros (tabla 2).
1
Detalle de las tarifas de consumo por mes [5].
Tarifa
Consumo (kWh/mes)
Rango (Ver/Inv)
DAC (kWh/mes)
140
1
250
250/750
1E
2000
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sept
Oct
Nov
Dic
140
140
140
140
140
140
140
140
140
140
140
140
249
249
249
249
249
249
249
249
249
249
249
249
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
250
750
750
750
750
750
750
250
250
1999
1999
1999
1999
1999
1999
1999
1999
1999
1999
1999
1999
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
2000
Página 130
A partir de los parámetros introducidos la herramienta presenta algunos datos de
salida que ayudan a evaluar y a conocer si es viable el uso de paneles fotovoltaicos.
Uno de los cálculos que se realiza “100% solar” es para un sistema fotovoltaico que
cubra el total del consumo de energía eléctrica (genera la electricidad completa que
consume a través del sol). El segundo “Ahorro máximo” toma en cuenta sólo una
porción generada por paneles fotovoltaicos para complementar el consumo total, con el
objetivo de bajar la tarifa a una de menor precio (de alto consumo a una más baja).
3. Resultados
Para Saltillo se observó que en el rango de consumo básico la opción de un sistema
fotovoltaico para cubrir las necesidades de energía eléctrica no es rentable para ningún
caso de las tres opciones de módulos, ver tabla 3. Es viable económicamente adquirir
de la red la electricidad necesaria.
Para el caso de consumo de los límites DAC los cálculos mostraron que es
factible el uso de cualquiera de las tres opciones de sistemas fotovoltaicos. De los dos
cálculos hechos, la opción de suministro parcial presenta el mayor ahorro debido
principalmente a la inversión inicial, ya que se tiene un gasto menor para cubrirla. Para
el caso de un consumo promedio bimestral de 249 kWh la mejor opción es un
suministro parcial con módulos policristalinos. Para consumo de 250 kWh la diferencia
entre los tres tipos de módulos es mínima, las opciones de generación parcial son las
que presentan mayor ahorro en comparación al suministro total. El suministro parcial
con un módulo de película delgada presenta el mayor ahorro y la recuperación de la
inversión en menor tiempo.
En la tabla 4 se presentan los resultados de los cálculos para la ciudad de
Piedras Negras. Para el caso del consumo básico (promedio bimestral 500 y 1500 kWh)
los cálculos mostraron que no es viable el uso de algún tipo de sistema fotovoltaico.
Para un consumo promedio mensual de 1999 kWh se observó que el suministro total
con módulos de película delgada presenta el mayor ahorro seguido por los módulos
policristalinos. Sin embargo la recuperación de la inversión es mayor a los diez años en
Página 131
todos los casos. Para un promedio mensual de 2000 kWh los paneles de película
delgada presentan el mayor ahorro para un sistema fotovoltaico que provee el 100%.
Tabla 3. Resultados para Saltillo.
Consumo mensual:140 kWh
Gasto total en electricidad sin
sistema FV ($ M.N.)
Gasto total con sistema FV ($
M.N.)
Ahorro Anual ($)
Ahorro Mensual
Recuperación inversión (años)
Capacidad del sistema (kW)
2
Área requerida (m )
Ahorro Total ($)
Consumo mensual: 249 kWh
sistema FV ($ M.N.)
M.N.)
Ahorro Anual ($)
Ahorro Mensual
2
Ahorro Total ($)
sistema FV ($ M.N.)
M.N.)
Ahorro Anual ($)
Ahorro Mensual
2
Ahorro Total ($)
Policristalina
Ahorro
100% Solar
Máx
Monocristalina
Ahorro
100% Solar
Máx
Película Delgada
Ahorro
100% Solar
Máx
31,139
-
31,139
-
31,139
-
48,612
-
55,166
-
48,335
-
-1,320
-
-1,815
-
-1,299
-
-113
-
-155
-
-111
-
-
-
-
-
-
-
0.79
-
0.81
-
0.76
-
4.94
-
4.5
-
7.62
-
-17,473
-
-24,027
-
-17,196
-
121,200
121,200
121,200
121,200
121,200
121,200
85,656
79,084
97,784
86,405
85,144
79,841
2,685
3,182
1,769
2,629
2,724
3,125
229
271
151
224
232
266
14
10
16
12
14
10
1.54
0.76
1.58
0.77
1.48
0.73
9.62
4.69
8.77
4.28
14.85
7.24
35,544
42,116
23,416
34,795
36,056
41,359
235,025
235,025
235,025
235,025
235,025
235,025
86,016
80,547
98,198
86,846
85,502
79,210
11,258
11,671
10,337
11,195
11,296
11,772
960
995
882
955
963
1,004
7
4
8
5
7
4
1.55
0.76
1.58
0.78
1.49
0.74
9.66
4.74
8.8
4.32
14.92
7.31
149,008
154,478
136,827
148,179
149,523
155,815
Página 132
Tabla 4. Resultado de los cálculos para Piedras Negras, Coahuila.
Consumo mensual: 250-750
kWh
sistema FV ($ M.N.)
M.N.)
Ahorro Anual ($)
Ahorro Mensual
2
Ahorro Total ($)
Policristalina
100%
Ahorro
Solar
Máx
2
Ahorro Total ($)
-
105,726
-
105,726
-
187,098
-
214,590
-
184,335
-
-6,148
-
-8,225
-
-5,939
-
-524
-
-701
-
-507
-
-
3.49
-
3.58
-
3.34
-
21.81
-
19.87
-
33.36
-
-81,372
-
-108,864
-
-78,609
-
1,164,008
1,164,008
1,164,008
1,164,008
1,164,008
799,812
792,787
864,369
679,313
796,279
27,515
28,046
22,638
36,619
27,782
3,056
2,347
2,392
1,931
3,123
2,369
12
11
14
12
12
11
1,4.5
8.62
14.86
8.83
13.87
8.16
90.63
53.82
82.57
49.04
138.65
81.59
474,330
364,196
371,221
299,638
484,695
367,729
1,739,113
1,739,113
1,739,113
1,739,113
1,739,113
800,318
793,186
864,809
679,654
796,630
70,926
71,464
66,053
80,042
71,204
6,760
6,049
6,095
5,633
6,827
6,073
8
6
9
7
8
6
14.51
8.62
14.87
8.84
13.87
8.17
90.67
53.86
82.61
49.08
138.72
81.66
1,049,087
938,795
945,926
874,303
1,059,458
942,483
Consumo mensual: 2000 KWh
1,739,113
sistema FV ($ M.N.)
690,025
M.N.)
Ahorro Anual ($)
79,258
Ahorro Mensual
2
Ahorro Total ($)
Película Delgada
100%
Ahorro
Solar
Máx
105,726
1,164,008
sistema FV ($ M.N.)
689,678
M.N.)
Ahorro Anual ($)
35,835
Ahorro Mensual
Monocristalina
100%
Ahorro
Solar
Máx
-
-
-
Para los dos casos se observó que ninguna situación es rentable el uso de
sistemas fotovoltaicos para consumo mensual básico para las tarifas. Para los casos
donde se consideran los límites superior e inferior de la tarifa de alto consumo los
Página 133
cálculos presentaron que es viable la instalación de paneles fotovoltaicos ya sea para
cubrir al 100% las necesidades de electricidad o para un suministro parcial.
En los párrafos anteriores se hicieron suposiciones sobre el consumo para las
ciudades, en la tabla 5 se muestran los usuarios y el consumo promedio mensual de
energía eléctrica de acuerdo con datos de CFE. Para ciudades con tarifa 1 tal como
Saltillo, si el consumo promedio es de 109 kWh/mes y de acuerdo a la tabla 3 ninguno
de los usuarios de esta tarifa necesitaría implementar un sistema fotovoltaico. La misma
situación se presenta para la otra tarifa ya que el consumo promedio está lejos de los
límites de la tarifa DAC. Por lo que los 762,187 usuarios de todas las tarifas no
representan un nicho de mercado para el sector fotovoltaico en el estado. Sin embargo
existen usuarios DAC para todas las tarifas en el estado, y de acuerdo con los cálculos
hechos para Saltillo y Piedras Negras los usuarios con consumo dentro de los límites
(superior e inferior) DAC son candidatos para el uso de paneles fotovoltaicos. Por lo
que se puede deducir que todos los usuarios de Coahuila de Zaragoza con tarifa DAC
son fuertes candidatos a la implementación de cualquier sistema fotovoltaico de los
presentados en los cálculos. Por lo que este nicho de mercado está definido para
10,847 usuarios DAC para las diferentes tarifas.
Tabla 5. Usuarios y consumo promedio de energía eléctrica en Coahuila en 2010 [5].
Tarifas
Usuarios
1
229,221
Consumo Medio
(kWh/Usuario)
109
1A
16,331
95
1B
7,515
128
1C
262,723
163
1D
92,199
220
1E
154,198
250
1F
0
0
DAC
10,847
479
Página 134
4. Conclusiones
En base a un modelo para calcular la rentabilidad del uso de un sistema fotovoltaico
para Saltillo, Piedras Negras se dedujo que los usuarios con consumo promedio básico
no figuran como posibles clientes de sistemas fotovoltaicos. Por lo que 762,187
usuarios de todas las tarifas no representan un nicho de mercado para el sector
fotovoltaico en el estado. Sin embargo existen usuarios DAC para todas las tarifas, y de
acuerdo con los cálculos hechos para Saltillo y Piedras Negras éstos con consumo
dentro de los límites DAC son candidatos para el uso de paneles fotovoltaicos. Este
nicho de mercado está definido para 10,847 usuarios DAC para las diferentes tarifas en
el estado de Coahuila.
Al modificar los datos de entrada la herramienta podría convertirse en una
referencia para la determinación de la factibilidad del uso de sistemas fotovoltaicos,
adicionando las modificaciones necesarias se usaría para hacer cálculos en otras
ciudades. Además muestra un panorama actual parcial del mercado fotovoltaico en
México.
Referencias
[1]
Janet L. Savin (2011) Página oficial Renewable Energy Policy Network for the
21st Century. Renewables 2011: Global Status Report
[2]
Janet L. Savin (2012) Página official Renewable Energy Policy Network for the
21st Century. Renewables 2012: Global Status Report
[3]
Secretaría
de
Energía
&
Deutsche
Gesellschaft
für
Internationale
Zusammenarbeit (2009). Página oficial de la Secretaría de Energía, Gobierno
Federal. Nichos de mercado para sistemas fotovoltaicos en conexión a la red
eléctrica en México.
[4]
Secretaria de Energía (2010). Página oficial de la Secretaría de Energía,
Gobierno Federal. www.renovables.gob.mx/portal/Default.aspx?id=2216
[5]
Comisión Federal de Electricidad (2012). Página oficial de la CFE. Gobierno
Federal. http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/QCFE/EstVtas/Default.aspx
Página 135
Desarrollo de aplicaciones móviles y NUI, para el control de accesos
e iluminación en el hogar
Carlos Alfredo Caballero Cárdenas1, Gregorio Rodríguez Miranda2, Brenda Juárez
Santiago3
1,2,3
Universidad Tecnológica de San Juan del Rio, Avenida La Palma No. 125, Col.
Vista Hermosa, San Juan del Río, Querétaro, 76824, México.
1
Resumen
Actualmente las personas se ven más interesadas en hogares inteligentes debido a que
se utiliza simultáneamente la electrónica y las tecnologías de información y con ello se
facilitan las actividades cotidianas. Una alternativa para los hogares es la
automatización de tareas domésticas a través de los beneficios de la domótica; por ello,
en este proyecto en su parte inicial se desarrollará un prototipo de casa inteligente con
la aplicación de NUI (Natural User Interface) y una aplicación móvil para ser utilizado por
diferentes usuarios con enfoque a personas con discapacidad de visión o fuerza motriz.
Actualmente se carece de un diseño de casa inteligente especializado para personas
con discapacidad visual o fuerza motriz y con este proyecto se busca incorporar las
nuevas tecnologías de información en la vivienda inteligente para facilitarle a dicho
usuario sus actividades en el hogar.
Palabras claves: casa inteligente, domótica, interfaces naturales de usuario (NUI),
nuevas tecnologías en TI.
1. Introducción
El hogar inteligente o casa inteligente se define como “el conjunto de dispositivos
externos e internos que se encuentran interconectados a una computadora
consiguiendo la fácil administración de todos los elementos instalados, proporcionando
seguridad para la vida de los habitantes y confort dentro de la misma. (García Molina,
2006)
Página 136
“El Hogar Digital es una vivienda que a través de equipos y sistemas, y la
integración tecnológica entre ellos, ofrece a sus habitantes funciones y servicios que
facilitan la gestión y el mantenimiento del hogar, aumentan la seguridad; incrementan el
confort; mejoran las telecomunicaciones; ahorran energía, costos y tiempo, y ofrecen
nuevas formas de entretenimiento, ocio y otros servicios dentro de la misma y su
entorno.” (CasaDomo.com, 2006)
Solé (2003) define la domótica como “el conjunto de servicios de la vivienda
garantizado por sistemas que realizan varias funciones, los cuales pueden estar
conectados entre sí y a redes interiores y exteriores de comunicación.”
Es por ello, que para considerar un sistema inteligente es importante que se
incorporen elementos que se fundamenten en las nuevas tecnologías de la información
(NTI) y el uso de las mismas en una vivienda, Solé (2003) afirma que se “genera
nuevas aplicaciones y tendencias basadas en la capacidad de proceso de información y
en la integración y comunicación entre los equipos e instalaciones”.
Así concebida, una vivienda inteligente puede ofrecer una amplia gama de
aplicaciones (ver figura 1) en áreas tales como:
•
Seguridad
•
Gestión de la energía
•
Confort, gracia a la automatización de tareas domésticas
•
Comunicaciones y Teletrabajo
•
Operación y mantenimiento de las instalaciones, etc.
La domótica se encarga de gestionar principalmente los siguientes cuatro aspectos
del hogar:
•
Seguridad: la seguridad que nos proporciona un sistema basado en domótica es
más amplia que la que nos puede proporcionar cualquier otro sistema, pues
Página 137
integra tres campos de la seguridad que normalmente están controlados por
sistemas distintos:
•
Gestión de la energía: en este campo, la domótica se encarga de gestionar el
consumo
de
energía,
mediante
temporizadores,
relojes
programadores,
termostatos, etc.
•
Confort: Automatización de tareas domésticas: la domótica nos proporciona
una serie de comodidades, como pueden ser el control automático de los
servicios de:
o
Calefacción.
o
Agua caliente.
o
Refrigeración.
o
Iluminación.
o
También la gestión de elementos como accesos, persianas, toldos,
ventanas, sistema de riego automático con sensores de humedad, etc.
•
Comunicaciones
y
teletrabajo:
la
domótica
tiene
una
característica
fundamental, que es la integración de sistemas, por eso hay nodos que
interconectan la red domótica con diferentes dispositivos, como la red telefónica,
el video portero, etc.”
Página 138
Figura 1. Diseño propio de esquema conceptual del hogar inteligente basado en CasaDomo (2006)
Discapacidad y Domótica: Las nuevas tecnologías asociadas al hogar digital, como la
domótica, la seguridad, las telecomunicaciones, los electrodomésticos inteligentes, el
ocio y el entretenimiento digital, han mejorado la calidad de vida de todos en los últimos
años. Pero el desarrollo tecnológico puede también suponer una amenaza para las
personas discapacitadas, aumentando la distancia social y cultural entre los que
pueden acceder a dicha tecnología y los que no, tomando en consideración que puede
ser por cuestiones físicas, intelectuales o económicas. Sin embargo, si este desarrollo
se realiza con criterios de accesibilidad y diseño universal, las nuevas tecnologías del
hogar
digital
pueden
ofrecer
enormes
oportunidades
para
personas
con
discapacidades.
Las personas con discapacidad o personas mayores con problemas de movilidad
dan la bienvenida a la vivienda domótica, ya que les ayuda en una gran parte de sus
tareas cotidianas.
En personas con problemas degenerativos el hogar inteligente les brinda la
opción de poder ir usando sus opciones de forma progresiva, a medida que vayan
Página 139
perdiendo su movilidad o autonomía, y de esta forma, su vida podrá seguir de forma
autónoma con estos apoyos.
En el caso de personas con discapacidad lo esencial que les ofrece la domótica
son los sistemas de control de entorno cuya finalidad es controlar elementos del
entorno doméstico y laboral.
Una persona con movilidad reducida o con otras discapacidades puede encender
sus aparatos electrónicos por voz, mandos a distancia, o pueden realizar llamadas de
emergencia o activar sus servicios de alarma si lo necesitan. En casos de movilidad
reducida severa incluso hay aparatos habilitados para levantarse de la cama, acceder a
la ducha, comandos para abrir puertas, etc.
En el proyecto que presentamos en la primera etapa únicamente nos
centraremos en la domótica, es decir, en un software que permita la automatización y
el control local (PROINSSA, 2005) a través de interfaces que permitan al usuario
experiencias en su ambiente natural como manejarlo por medio de voz y en etapas
posteriores con lenguaje de sordomudos.
La problemática actual es resolver necesidades de los posibles usuarios,
principalmente aquellos con discapacidad de visión y motriz y mejorar la calidad de
vida en sus hogares; a continuación se especifican los tres rubros en donde se
concentra:
Accesibilidad: Hoy en día existen muchas personas con problemas de
movilidad o visión que les impiden realizar tareas cotidianas en el hogar tales como
encender una lámpara, abrir la puerta, encender la calefacción, abrir y cerrar cortinas,
entre otras.
Ahorro de energía: El calentamiento global se ha incrementado, y con ello los
cambios climáticos que afectan a todos los seres vivos, generando enfermedades y
escases de recursos.
Página 140
Seguridad: Las personas con discapacidad móvil o visión, no tienen una respuesta
inmediata ante una situación de riesgo, ejemplo: cuando los aparatos del hogar
representan un riesgo para la integridad física de las personas que se encuentran en el
hogar.
Actualmente se tiene cultura mínima en el uso de las tecnologías y las ventajas
que pueden brindar en el ahorro del consumo de energía.
Diseñar un producto que tenga en cuenta las necesidades de todos los posibles
usuarios, incluyendo las personas con capacidades diferentes; es decir para favorecer
un diseño accesible para la diversidad humana con el objetivo de suplir las limitaciones
funcionales de las personas.
Promover en el alumnado de TIC e indirectamente en otras áreas como
Mecatrónica y Desarrollo de Negocios el aprendizaje de éstas tecnologías para resolver
problemas actuales de la sociedad en su conjunto prestando interés especial en las
personas con limitaciones físicas.
2. Desarrollo
El diseño de este prototipo surge como una alternativa para ayudar a todas las
personas o usuarios que puedan emitir órdenes por medio de la voz, beneficiando
ampliamente aquellos con discapacidad de visión y motriz, en el sentido de cubrir sus
necesidades en cuanto a obtener facilidades para la automatización de las tareas en el
hogar.
Previamente a la elaboración de la casa inteligente, se realizarán diferentes
análisis como son la medición del alcance por la frecuencia de voz, radio de alcance del
dispositivo Kinect®, requerimientos para la casa inteligente, adquisición de materiales,
así como, el análisis, el diseño de la interfaz de usuario y la codificación de la
aplicación, utilizando el lenguaje de programación C#.
.
Página 141
Por otro lado, se construirá a escala una casa inteligente de madera con al menos
una puerta, en donde se utilizarán e instalarán diferentes materiales y dispositivos. Se
desarrollarán pruebas para la implementación de la aplicación y el prototipo.
Posteriormente con la instalación domótica a través de una serie de interfaces se
podrán dar órdenes mediante la voz, permitiendo a una persona, desde una ubicación
determinada, abrir
y cerrar puertas, apagar y encender la iluminación, etc. no
importando si estos servicios están en planta baja, planta alta o en el exterior de la
casa. Estas interfaces de control estarán situadas dentro de la casa, conectados al
dispositivo Kinect® o mediante el uso de dispositivos móviles como celulares a través
de Sockets que son una tecnología utilizada para el envío de mensajes a través de
redes de comunicación con protocolos IP, de tal manera que se pueda proporcionar
mayor flexibilidad al sistema.
La aplicación recibe el
mensaje del celular y
ejecuta la orden
La persona usa su
móvil para enviar
un mensaje a
través de sockets
Figura 2. Esquema de aplicación de Interfaces naturales de usuario y móviles.
Página 142
Figura 3. Función de los sockets para aplicación móvil
Se utilizará el protocolo de comunicación TCP para realizar la comunicación del móvil
con la aplicación, se utilizará un modem inalámbrico ya que la comunicación se realiza
mediante direcciones IP y puertos lógicos utilizados en las comunicaciones en red.
3. Resultados
Después de haber realizado las pruebas mencionadas en la metodología,
encontramos que la aplicación desarrollada realmente es capaz de brindarnos un
panorama general de la facilidad que brindan las tecnologías aplicadas en la domótica.
Se invitó a algunos compañeros a que probaran el sistema y fue realmente
impresionante ver la reacción que tenían y el deseo por llegar a tener a futuro esta
aplicación dentro de sus hogares. Sin lugar a dudas todos en algún momento
llegaremos a una etapa en donde la domótica será una gran opción. La fácil adaptación
para los usuarios es un factor importante, el cual hemos cubierto gracias a que el
usuario no tendrá que interactuar directamente con una computadora, sino que
mediante el uso de su voz podrá indicar acciones de una manera más sencilla y simple
para aquellos usuarios que no están familiarizados con términos de computación.
Página 143
Prueba
Realizar
pruebas
Numero 1
sobre
la
Pruebas
lógicas
sintaxis del código fuente de la
parte
de
aplicación
desarrolladores.
Numero 2
Numero 3
por
Se realizaron pruebas con la
los
herramienta que viene integrada
en Visual Studio para “probar” la
aplicación.
Realizar pruebas de distancia
Se realizó a menos de
entre el usuario y el dispositivo
un
metro
Kinect.
funcionando
de
distancia
Se realizó a 5 metros de
distancia
funcionando
funcionando con un
correctamente.
leve retraso.
correctamente.
Realizar
pruebas
de
Se verifico mediante
entre
la
leds que efectivamente la
encendían
computadora y la tarjeta que se
señal es enviada por la
comando de voz indicado.
encargara
de
computadora a la tarjeta.
comandos
indicados
comunicación
controlar
por
los
Se realizó a 10
metros de distancia
Los
leds
de
la
tarjeta
dependiendo
el
el
usuario.
Tabla 1. Resultados en base a las pruebas realizadas.
Se invitó a 500 usuarios a utilizar la aplicación, utilizaron órdenes de voz para
encender las luces y abrir la puerta del prototipo y finalmente, para saber cuál era el
grado de aceptación, se les aplicó una encuesta de satisfacción en la que podían
elegir cualquiera de las opciones siguientes: Excelente, Buena, Regular y Mala,
arrojando los siguientes resultados.
Página 144
Usuarios que utilizaron el sistema durante el evento "EXPO
UTSJR 2013"
0%
3%
21%
76%
Excelente aplicación
Buena aplicación
Regular
Mala
Figura 4. Aceptación por parte del grupo de usuarios en la aplicación NUI y móvil
Excelente aplicación
379
Buena aplicación
104
Regular
15
Mala
2
Tabla.2 Resultados de encuesta de satisfacción por parte de usuarios que probaron la aplicación.
4. Conclusiones
Como ya se ha mencionado, el uso de aplicaciones orientadas a la domótica vendrá a
ser una de las principales alternativas en el hogar a futuro. El hecho de haber
desarrollado esta aplicación nos deja muy motivados a seguir innovando dentro de este
rubro, el cual creemos firmemente tiene una gran aceptación dentro de cualquier sector
social debido a que este tipo de aplicaciones son capaces de no solo brindar confort a
cualquier tipo de persona, sino de también brindar la alternativa para aquellas personas
con problemas de discapacidad visual o motriz.
A futuro esperamos no solo tener este tipo de hogares inteligentes sino también
hogares que sean ecológicos y apoyen al cuidado del medio ambiente y sabemos que
Página 145
la tecnología nos brinda todas las herramientas necesarias para el desarrollo de las
mismas. Sin embargo, aún existen posibles mejoras, sobre todo en la aplicación de voz
ya que en ambientes caseros funciona a la perfección, no así en espacios abiertos con
interferencias sonoras. Y en el caso de la aplicación móvil se está trabajando para
desarrollarla a nivel multiplataforma para poder dar soporte a un mayor número de
usuarios.
Página 146
Referencias
Libros
[1]Da Costa Carballo, C. M. (1992). Fundamentos de Tecnología Documental. Madrid:
Editorial Complutense.
[2] García Molina, H. (2006). Avances en Informática y Sistemas Computacionales Tomo ICONAIS. Tabasco, México: Universidasd Juárez Autónoma de Tabasco.
[3] Jorge Sierra, Elena. (2009) Del Hogar Digital a la Casa Red. Licencia Creative Commons.
[4] Solé Moro, M. L. (2003). Los Consumidores del Siglo XXI. Madrid: ESIC Editorial.
Internet
[5] CasaDomo.com. (7 de Diciembre de 2006). CasaDomo.com. Recuperado el 26 de Junio
de 2012, de El portal del hogar y edificio inteligente:
http://www.casadomo.com/noticiasDetalle.aspx?id=9088&c=6&idm=10&pat=10
[6] Discapnet. (2007). Guía domótica y discapacidad . Recuperado el 26 de Junio de 2012,
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http://www.discapnet.es/Castellano/areastematicas/Accesibilidad/Accesibilidadenelho
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[7] PROINSSA. (2005). PROMOCIÓN DE INICIATIVAS SOCIO-SANITARIAS S.L.L.
Recuperado el 22 de Junio de 2012, de
http://www.discapnet.es/Castellano/areastematicas/Accesibilidad/Accesibilidadenelho
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Colector solar parabólico para múltiples aplicaciones
Araceli Godínez Chávez1 Francisco J. Isidro Reséndiz2, Luis F. Serna Hernandez3
1,2,3
Instituto Tecnológico Superior de Huichapan – Dom. Conocido s/n., El Saucillo,
Municipio de Huichapan, Hidalgo, 42411, México
1
[email protected], [email protected], [email protected]
Resumen
Las aplicaciones para los sistemas de concentradores solares parabólicos van desde la
obtención de hidrogeno, obtención de energía eléctrica, refrigeración, eliminación de
componentes en aguas residuales, etc. por mencionar algunos, siendo estos sistemas
los más eficientes para el aprovechamiento de energía solar. En este artículo se
presenta el diseño y construcción de un concentrador solar parabólico de dos ejes al
cual también se le implementó un control óptimo de posicionamiento mediante una
interfaz de usuario, se presenta también un estudio de las diferentes aplicaciones para
dichos sistemas y de igual manera, un estudio térmico en base a la radiación.
Palabras claves
Colector
solar
parabólico,
aplicaciones,
análisis
térmico,
control
óptimo
de
posicionamiento.
1. Introducción
La conversión de energía solar es uno de los tópicos más importantes de investigación
en energías renovables. Existen diversas formas de realizar esta transformación, una
de ellas consiste en convertir la energía solar en energía térmica, utilizando
concentradores solares, los cuales necesitan seguir la trayectoria del sol para captar la
mayor energía proveniente del mismo.
Existen diversos tipos de sistemas que cumplen este objetivo, los sistemas
pasivos [1] y los activos: que utilizan motores para orientarse. [2]. Básicamente los
sistemas activos son dispositivos mecatrónicos que integran sistemas mecánicos y
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electrónicos. En lo que respecta al control se puede clasificar en sistemas de bucle
abierto con fotosensores, estos sistemas son sensibles a los cambios de
posicionamiento del sol y sistemas de bucle cerrado utilizando algoritmos matemáticos
que ubiquen al concentrador según la hora, latitud del lugar.
Finalmente por el tipo de desplazamiento que deben realizar existen dos tipos
básicos de concentradores: Sistemas de un eje, el concentrador debe seguir al sol
desde el amanecer (este) hasta el atardecer (oeste) [3] y sistemas de dos ejes que
combinan dos movimientos (este-oeste)(norte-sur) manteniendo el área de este en
posición perpendicular a los rayos del sol [4], [5].
Colector solar parabólico: Son dispositivos que reflejan y concentran la energía
solar incidente sobre una zona receptora pequeña. Como resultado de esta
concentración, la intensidad de la energía solar se incrementa y las temperaturas del
receptor (llamado ‘blanco’) pueden acercarse a varios cientos, o incluso miles, de
grados Celsius, estos deben moverse para seguir al sol si se quiere que actúen con
eficacia. Un ejemplo de este tipo de concentrador se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Ejemplo de colector solar parabólico.
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Estudio térmico: comprende el estudio de la evolución de las propiedades de una
muestra o compuesto cuando es sometida a un calentamiento a altas temperaturas,
implicando desde las propiedades mecánicas, magnéticas, eléctricas de los elementos
hasta los factores climáticos (atmosfera inerte y ambiental).
La cantidad de energía solar recibida anualmente por la tierra 1,5 x 1018 KWh,
representa 10.000 veces el consumo de energía en ese mismo periodo, esto se
interpreta como que además de que el sol es el actor principal de los procesos
biológicos en la tierra, este puede ser considerado una fuente inagotable de energía la
cual puede ser aprovechada mediante un adecuado sistema de captación y conversión
a otro tipo de energía, por ejemplo energía eléctrica, térmica, entre otras [7].
Estudio de diferentes aplicaciones: Existen muchos tipos de colectores solares
térmicos que, aunque en base tengan el mismo principio, tienen características
diferentes. Por ello se pueden clasificar de muchas formas.
Una de las más importantes para lograr nuestro objetivo es en función de la
temperatura de los fluidos. Esta división tiene en cuenta las temperaturas a las que
puede llegar el fluido transportador, y en consecuencia, las posibles aplicaciones que
pueden aprovecharse de dichas temperaturas. Además, el tipo de fluido que se utilice
determina el rango de temperaturas de operación del campo solar, lo que acaba por
influir en la obtención del rendimiento del ciclo de potencia.
•
Temperaturas bajas (30ºC-100ºC): Este rango se consigue con colectores
planos. Entre sus aplicaciones están las de calentamiento de aguas sanitarias y
de piscinas, calefacción, secado, desalinización y destilación. Estos sistemas son
en general híbridos ya que casi siempre son usados con apoyo de otros tipos de
energía como la eléctrica, puesto que la energía solar no siempre está
disponible, lo que puede ocasionar un paro en el servicio que se ofrece.
Página 150
•
Temperaturas media (100ºC-400ºC): Se alcanzan con concentradores lineales o
esféricos y se usan en procesos industriales (Industria láctea, procesado de
residuos, etc.), así como en refrigeración, en procesos químicos (Producción de
acetona) y de desalinización.
•
Temperaturas altas (400ºC-3000ºC): Estas altas temperaturas se alcanzan
gracias a los concentradores puntuales como los de discos parabólicos y los
campos de heliostatos o centrales de torre. Se utilizan en centrales solares
fototérmicas, fotovoltaicas y fotoquímicas, también en hornos solares para
tratamientos térmicos e investigación de materiales.
La siguiente función que consiste en la razón de concentración de igual forma es
una de las más interesantes. Pero para esto hay que tener claros los dos elementos
básicos dentro del colector, el concentrador y el receptor. El primero constituye el
sistema óptico, y es la parte del colector que dirige la radiación sobre el receptor. Este
es el elemento del sistema donde la radiación es absorbida y se convierte en otro tipo
de energía.
Por tanto, la razón de concentración superficial se define como el cociente del
área de apertura del concentrador entre el área de absorción del receptor:
𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
𝐶𝐶 = 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴
𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
(1)
La energía máxima es de suma importancia pues tiene que estimarse la energía
captada, la cual es posible establecerse un valor máximo de energía que no depende
de los estados parciales de energía sino de la suma total de ellos. Esta energía puede
ser estimada mediante las siguientes ecuaciones:
Para 𝑇𝑇2 < 𝑇𝑇1
Para 𝑇𝑇1 > 𝑇𝑇2
𝑇𝑇2 −𝑇𝑇1
𝐸𝐸𝑖𝑖 = ��
2
� + 𝑇𝑇1 � ∗ 𝑘𝑘 ∗ ∆𝑡𝑡
(2)
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𝑇𝑇1 −𝑇𝑇2
𝐸𝐸𝑖𝑖 = ��
2
� + 𝑇𝑇2 � ∗ 𝑘𝑘 ∗ ∆𝑡𝑡
(3)
Donde:
𝑇𝑇1 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖
𝑇𝑇2 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑘𝑘 = 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞𝑞 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 𝑦𝑦 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
Este valor de energía es expresado en [kcal]. Finalmente la energía máxima es la
suma de todas las energías parciales calculadas durante un periodo de tiempo en
diferentes sustancias.
Como se ha estado mencionando anteriormente hay una gran variedad de
colectores solares aunque su objetivo sea muy similar.
Es por ello que en este
apartado se analizan algunas aplicaciones con mayor detenimiento.
•
Cocinas solares: se puede lograr un calentamiento con ayuda de concentradores
solares, superficies reflectoras cuya forma geométrica ayudan a que la radiación
incidente sobre una superficie grande se concentre en un área varias veces
menor. Son muchas las cocinas que se han estado analizando algunas de las
principales son: cocinas con concentración óptica (de foco lineal o foco puntual) y
cocinas sin concentración óptica (fijas u orientables). Normalmente estas estufas
alcanzan un rango de temperatura que va desde los 150ºC a 250ºC lo cual
concentra una radiación solar en un punto específico calentado un fluido o
concentrando los rayos solares en el punto donde va situada la olla.
•
Refrigeración: el colector solar puede brindar una temperatura de 140ºC. el cual
cuando un fluido cambia de fase (liquido-vapor), la densidad cambia y la energía
calorífica se libera (evaporación) o se absorbe (condensación) en magnitudes
considerables. El calor latente de vaporización en el agua a una presión de 1atm.
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Es de 540 cal/gr. Realizando un diagrama de presión-temperatura se obtiene que
es viable en el campo de la refrigeración solar por absorción.
•
Secado con energía solar (evaporación natural): una buena referencia es el
secado de café pergamino. Esta técnica entregan productos con mejor calidad.
Utilizando temperaturas de 100ºC o mayores de estas.
•
Producción de hidrógeno.
•
Destilación
•
Energía eléctrica
•
Hornos solares para fabricación de tabiques.
El objetivo de este proyecto es presentar el desarrollo e implementación de un
prototipo que permite realizar el seguimiento de la trayectoria solar. El dispositivo
utilizado permite
aumentar la radiación captada por el módulo solar mediante el
movimiento. Tal movimiento busca mantener el área de este en posición perpendicular
a los rayos del sol. El prototipo presentado permite mejorar el rendimiento de una
instalación fotovoltaica dando como resultado la generación de diversas aplicaciones en
base a los resultados de temperatura obtenidos con el colector solar [6].
2. Desarrollo
Sistemas de posicionamiento: El Colector solar de dos ejes fue diseñado y construido
para seguir al sol tanto en azimut como en elevación, con el objetivo de ubicar la antena
parabólica perpendicular a la radiación solar directa y producir así máxima potencia.
Para llevar la antena a esta posición se necesitan dos ejes de giro: uno vertical y otro
horizontal. El eje de giro vertical es el encargado de corregir la posición de la antena
para seguir al sol en su posicionamiento azimutal. El eje de giro horizontal es el
encargado de corregir la inclinación de la antena para seguir al Sol cuando cambia su
ángulo de altura solar. El diseño CAD del concentrador se muestra en la Figura 2.
Definido el diseño final se comenzó a construir la estructura metálica,
calculándose tanto la potencia necesaria de los motores, como los engranes de
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reducción para obtener la velocidad de rotación de los ejes deseada. Los dos motores
con sus respectivos sistemas de reducción de velocidad, mueven de manera
independiente cada eje de giro, como se observa en la Figura 3.
Figura 2. Diseño mecánico en software CAD.
La realización electromecánica se diseñó para seguir al sol usando señales
eléctricas originadas en una placa con sensores LDR colocados en un mismo plano que
la antena. Esta placa posee un total de 4 LDR, cada LDR se encarga de enviar una
señal eléctrica que se usará para controlar cada uno de los dos movimientos del
colector. El grupo colocado en la parte superior es el encargado de comandar el
seguimiento azimutal solar, mientras que el situado debajo comanda el seguimiento de
elevación solar.
Figura 3. Estructura metálica, posicionamiento de motores y engranes para la rotación de los ejes
(Vertical y horizontal)
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Un elemento ante este mecanismo electromecánico es el puente H que consiste
en un circuito electrónico que contiene diferentes elementos como: transistores, diodos
y resistencias, alimentados por una fuente de tención, consta de 2 transistores de tipo
PNP y otros dos de tipos NPN, 4 diodos NP y 2 transistores de tipo NPN. Con la
finalidad de controlar el giro en ambos sentidos, avance-retroceso y la potencia que se
administra a los motores de corriente directa.
Sistema óptico: El colector solar está conformado por una parábola recubierta
de espejos cuyo propósito es el aumento de la captación de la radiación solar, estos
deben permanecer en forma perpendicular a los rayos del sol durante el día y dentro de
su rango de movimiento.
Los reflectores (espejos) concentran la luz solar directa en un acumulador que se
encuentra fijo a algunos centímetros de distancia y altura, como se observa en la
Figura 4. Este tipo de concentradores debe orientar el espejo de forma tal que refleje
los rayos del sol sobre un concentrador que se encuentra ubicado a una altura de 60
cm con respecto a la parábola. Los espejos deben girar, siguiendo la trayectoria del sol
para mantener los rayos reflejados sobre el acumulador.
Sistema de montaje mecánico para el intercambio para diferentes
aplicaciones: Nuestro sistema es diseñado para diferentes aplicaciones, por tal se ha
diseñado un mecanismo que permita un cambio de acumulador donde se estén
realizando pruebas con diferentes elementos como: agua o aceite que son los más
factibles a las temperaturas diferentes producidas por la radiación solar.
Página 155
Figura 4. Sistema óptico
3. Resultados
El diseño y creación del colector solar ha permitido realizar las pruebas necesarias y de
igual forma se cumplieron las expectativas, es por ello que el pico de hora en nuestro
municipio es entre las 12 y 3 de la tarde alcanzando una temperatura de 2600C, estas
pruebas se realizaron en el mes de abril del presente año.
Para lograr estas temperaturas se estima un tiempo de 10 a 20 min, pero las
temperaturas dependerán de las condiciones climáticas presentes en los diversos días.
El tiempo requerido para logar una mejor temperatura es utilizando engranes reales,
motores de mayor calidad, una parábola más grande, cabe aclarar que este prototipo
fue construido con materiales reciclados, como lo muestra la Figura 5, pero cumple
satisfactoriamente con el objetivo.
Figura 5. Prototipo real del colector solar parabólico para múltiples aplicaciones realizado con
materiales reciclados.
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En base a las temperaturas obtenidas, nuestro prototipo es viable para diferentes
aplicaciones, que involucran temperaturas desde los 300C hasta los 2600C para tener
una mayor eficiencia, algunas de estas aplicaciones son para la cocción de alimentos,
refrigeración por absorción (cambio de fase del agua liquido-vapor), para el secado de
frutas ya que mediante este proceso los resultados son de mejor calidad, así como la
producción de electricidad.
Para un mejor análisis, aprovechamiento y análisis de las temperaturas en las
aplicaciones se ha creado una simulación en el programa LabView (Figura 6), en la cual
hemos incluido 8 aplicaciones, seleccionaremos dos de ellas, el mes, hora y día en el
que se realizaran estas, lo cual en la gráfica mostrara cual es la hora y temperatura
conveniente para la realización.
Figura 6. Simulación en LabView para realizar el análisis de temperaturas
Utilizamos un sensor, una celda solar (para medir el voltaje proporcionado por la
radiación solar) la cual nos permitió tomar muestras, estos datos fueron introducidos en
el software MATLAB con el fin de encontrar una curva que se ajuste a los mismos
(potencia real), dicha curva quedo definida por un polinomio de orden 8.
Página 157
Figura 7. Caracterización de la temperatura
4. Conclusiones
Mediante la investigación elaborada en este trabajo, el desarrollo del prototipo y la
finalización de las primeras pruebas con el colector solar es posible concluir que la
aproximación de los mecanismos y de los diversos estudios es buena para una serie de
aplicaciones.
El trabajo en este proyecto debe continuar en búsqueda de las constantes que
permitan
caracterizar
la
energía
necesaria
para
aplicaciones
que
requieren
temperaturas muchos mayores así como las limitaciones de las temperaturas en cada
una de estas aplicaciones. Con esto será posible tabular los valores de energía y
temperatura máxima que el usuario del sistema deberá utilizar cuando ponga en
funcionamiento este sistema.
En un años se pretende proporcionar todos los reactores necesarios (ya q
actualmente solo es para calentar agua) y generar un adecuado diseño de nuestro
colector solar con concentrador permitirá ser aplicado en una vivienda o incluso en la
misma industria, mejorando el ahorro de energía de combustibles fósiles e
implementando una nueva alternativa de energías renovables.
Página 158
Referencias
M. J. Clifford y D. Eastwood, (2004). Design of a Novel Passive Tracker. Solar Energy.
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Energy
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A. W. G. Cope y N. Tully (1981). Simple tracking strategies for solar concentrations.
Solar Energy Volume 27, Issue 5, pp.361-365
F. M. Al-Naima y Yaghobian N. A. (1990). Design and construction of a solar tracking
system. Solar & Wind Technology Volume 7, Issue 5, pp.611-617
F. M.Al-Naima y Yaghobian N. A. (1991). A microprocessor-based control system for a
sun tracker. Renewable Energy Volume 1, Issue 2, pp.183-198
R. M. Lamaison, ( 2009). Energia Solar Fotovoltaica (ESF), Radiación Solar. México.
Recuperado el 1 de febrero de 2013, de http://tec.upc.es/esf/M2_RadiacionSolar_BN.pdf
G Morrison, B Wood. ( 1999). Packaged solar water heating technology: twenty years of
progress. Proceedings of ISES Solar World Congress on CD-ROM, Jerusalem,
Israel.
Página 159
Metodología para la Automatización de una Planta de Biodiésel
1
Omar Olguín Ramos, 2Amital Martínez Bravo, 3Luis Felipe Serna Hernández.
Instituto Tecnológico Superior de Huichapan, – Dom. Conocido s/n, El Saucillo,
Municipio de Huichapan, Hidalgo, 42411, México.
1
Resumen
El presente trabajo de investigación muestra un diseño mecánico automatizado de una
planta piloto para producción de biodiésel. La finalidad es lograr que los procesos
puedan llevarse a cabo en modalidades automática y manual; detectando fallas y
brindando comodidad tanto al operario que domina el proceso como al personal que
realice prácticas y pruebas meramente didácticas. La planta permitirá obtener
volúmenes de producción del biocombustible de litros por lote, contando con equipo de
control destacando válvulas, sensores de temperatura, carga y conductividad eléctrica.
Con base a trabajos realizados para la obtención de biodiésel, se determinaron los
parámetros necesarios como: la cantidad de reactivos, temperaturas y tiempos de
reacción, que nos sirvieron
para estructurar la parte nuclear de este proyecto la
automatización, de este modo se desarrolló una aplicación con una interfaz de fácil
manejo en el software LABview. Al llegar nuestro proyecto a la fase de operación se
espera obtener mayor calidad en la infraestructura de la planta y del mismo biodiésel.
Palabras claves
Automatización, planta piloto, fácil manejo, biodiésel.
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1. Introducción
Actualmente, el Biodiésel sobresale como un combustible alternativo al diesel derivado
del petróleo debido a su carácter renovable, buen desempeño y a que sus emisiones
gaseosas son significativamente menores comparadas con las obtenidas cuando se
usa el diesel convencional (Fukuda et al., 2001).
La ASTM (American Society for Testing and Materials) define el Biodiesel como
“el éster monoalquílico de cadena larga de ácidos grasos derivados de recursos
renovables, como por ejemplo aceites vegetales o aceites animales, para utilizarlos en
motores Diesel”, que se obtiene a partir de recursos renovables, tales como los aceites
vegetales de soja, colza/canola, girasol, palma y otros, como así también de aceites
animales, a través de un proceso denominado transesterificación (García et al., 2011).
El método de fabricación más común es la transesterificación de aceite. La
transesterificación básicamente consiste en el mezclado del aceite vegetal o aceites
con un alcohol (generalmente metanol) y un catalizador alcalino (soda cáustica). Al
cabo de un tiempo de reposo, se separa, por decantación, el biodiésel de su
subproducto el Glicerol (Meher et al., 2004; Díaz et al., 2008).
El problema de obtener un biocombustible requiere de grandes inversiones de
equipo muy delicado aun ajustando las necesidades de capacidades o demostrativas,
con cuidados especiales y de seguridad por lo que se tiene la idea de que si se tiene
una planta piloto automatizada con los materiales adecuados y seguros se evitaría
cualquier riesgo en la producción de biodiésel, por otra parte con la automatización se
facilita la acción de trabajar con los biocombustibles y la producción de diversos lotes
de forma semiautomática o automática con la finalidad de experimentación y producción
en serie.
Página 161
2. Desarrollo
El procedimiento convencional para la producción de biodiesel a partir de la
transesterificación (Figura 1), se enmarca en el diseño mecánico de la planta (Figura 2),
aunado a este diseño se desarrolla el proceso de automatización el cual permite la
obtención de biodiesel por lotes con cantidades previamente definidas gracias a
experimentos ya realizados (Becerra et al., 2010), que establece las cantidades
necesarias de reactivos para la mayor obtención de biodiesel. Por otra parte el proceso
manual da la pauta a la experimentación para diferentes reactivos, además de permitir
al usuario interactuar directamente con el proceso, el sistema considera los posibles
errores de usuario para pausar el proceso y evitar daños a la planta o que afecten la
obtención de biodiésel, a continuación se describen ambos procesos basados en el
diseño mecánico de la planta (Figura 2).
Figura 1: Diagrama de bloques para la obtención de Biodiesel.
Página 162
Figura 2: Diseño mecánico de planta piloto para la obtención de Biodiésel.
2.1 Proceso Manual de Obtención de Biodiésel
Dentro del modo manual de producción de biodiésel se requirió programar la
aplicación para que la serie de procesos que involucran materia prima, reacciones para
la extracción de biodiésel, refinación puedan ser modificados por el usuario. El
funcionamiento del Modo manual es el siguiente:
•
Protección de resistencias: este proceso se acciona al encender la planta y al
final del proceso completo de obtención del biocombustible, con la finalidad de
proteger la resistencia de la corrosión. Inicia verificando si el tanque de
calentamiento cuenta con la cantidad de aceite necesaria para evitar que la
resistencia sufra daños, para la cual se prevén dos opciones:
Caso 1: si el sensor de carga detecta un volumen mayor o igual al equivalente
de 2 litros de aceite dentro del tanque se indicara en la interfaz del usuario con el
encendido de la luz verde sobre la etiqueta de Protección de Resistencia
consecuentemente se apagaran las válvulas 1 y 2 (V1, V2), lo mismo hará la bomba 1
(B1)
Caso 2: si el sensor de carga arroja una lectura de un nivel menor a 2 litros de
aceite se desplegará un mensaje que indicará que la resistencia no tiene el nivel
Página 163
adecuado de aceite y se abrirán las válvulas 1 y 2 (V1 y V2), además de activar la
bomba 1 (B1).
•
Proceso de llenado: Para realizar el llenado, el usuario debe introducir la
cantidad de litros de aceite, si el botón de B1 está activado el llenado continuará
de no ser así, se debe activar el botón, una vez que se activó el botón se
revisará que V1 y V2 estén activadas, si las válvulas están abiertas B1, de no ser
así se mostrarán mensajes para que se activen las válvulas, después de que se
activó B1, el tanque de calentamiento (T1) tendrá la cantidad de aceite definida
por el usuario, de no cumplirse está condición no continuará el proceso,
suponiendo que ya se cumplió la condición se procede a cerrar V1 y V2 y se
apagará B1.
•
Proceso de calentamiento: En el proceso de calentamiento el operador
ingresará el tiempo de calentamiento y la temperatura que se desea para el
proceso, por cuestiones de seguridad se emplearán rangos de temperatura de
entre 50ºC y 80ºC, con un tiempo de calentamiento que va de 30 a 90 minutos, si
el usuario introduce otras cantidades no podrá calentar el aceite.
Si las cantidades son adecuadas se activará la resistencia, después de que se
alcance la temperatura y el tiempo deseado para el proceso se apagará la resistencia
para continuar con los siguientes procesos.
•
Proceso de transesterificación: con el aceite en condiciones para realizar la
transesterificación, pasará al reactor, para ello se abrirán V3 y V4 y se encenderá
B1, para apagar B1 y cerrar V3 y V4 es necesario que el sensor de carga 1 (SC1)
sea igual a 0.
Con la bomba apagada y las válvulas cerradas se mostrará un mensaje al
operador, el cual indicará que el aceite caliente ya está en el reactor. Para continuar el
Página 164
usuario ingresara el tiempo de mezcla e iniciar el timer de mezcla, por lo tanto se deben
activar las válvulas 5,6 y 7 (V5, V6 y V7), y la bomba 2 (B2). Cuando el tiempo de mezcla
es el mismo que el tiempo definido por el usuario, la mezcla está preparada y se deben
apagar las válvulas 5, 6 y 7 (V5, V6 y V7), y la bomba 2 (B2), de no ser así el operador
deberá de esperar el tiempo necesario para continuar con el siguiente proceso.
Una vez que ya se llevó a cabo la transesterificación se iniciará con el proceso
de decantado.
•
Proceso de decantado: en este proceso el usuario es capaz de introducir el
tiempo de decantado, una vez que se ingresa el valor del tiempo se inicia con la
decantación, si el tiempo de decantado es igual al tiempo definido por el usuario
se procederá a la siguiente condición, de no ser así el proceso seguirá hasta
cumplir el tiempo ingresado, considerando que el tiempo es el adecuado se tiene
la siguiente condición donde se separa la glicerina del biodiesel por medio del
sensor de conductividad (Scon1), si el sensor de conductividad es igual a 1 se
abre la válvula 9 (V9) para almacenar la glicerina. De no ser así se cierra la
válvula 9 (V9) y se desplegará una pantalla con la cantidad de biodiésel que se
obtuvo a partir de la transesterificación.
Después de que se almacena la glicerina, el biodiésel pasará al filtrado para
eliminar impurezas o sustancias indeseables, a fin de tener un biodiesel de buena
calidad.
•
Proceso de filtrado: para que se realice el filtrado es necesario abrir V6, V8,
cerrar V7 y encender B2, para continuar con el filtrado es importante que no
quede biodiesel en el tanque de transesterificación, para ello se ocupará otro
sensor de carga SC2, si el sensor de carga es igual a 0 se continua con el
proceso, de no ser así el usuario deberá esperar a que el tanque de biodiesel
este vacío, considerando que ya no hay biodiesel en el tanque, se cierran V5, V6
Página 165
y V8 y se apaga la bomba, una vez que ha filtrado el usuario tiene la opción de
realizar más filtrados, si lo desea ingresará el tiempo de filtrado, se abrirá V8, V10
y se encenderá B2, después arrancará el tiempo de filtrado, si el tiempo de
filtrado es igual al tiempo definido por el usuario el filtrado se llevó a cabo con
éxito, por lo tanto se cierra V8, V10 y se apaga (B2), de no ser así el usuario debe
esperar a que se cumpla el tiempo de filtrado.
En caso de que el usuario no requiera otro filtrado se procederá a almacenar el
biodiesel y la glicerina, para realizar este último paso se utilizará otro sensor de
conductividad eléctrica, si el sensor de conductividad 2 (Scon2) es igual 1 se abrirá V11
y a su vez se desplegará un menaje que indicará que hay glicerina.
Si Scon2 no es igual a 1 se cierra V11 y se abre V12, además de desplegar un
mensaje con la cantidad obtenida de biodiesel.
2.2 Proceso de obtención de biodiésel automático.
Para iniciar con el proceso de obtención de biodiésel de la forma automática es
necesario tener todas las válvulas o salidas cerradas, además de revisar todas las
entradas por si existen residuos de insumos o sustancias de procesos anteriores.
Una vez que se realizó el previo análisis tenemos la primera condición, donde: si
el tanque de precalentado tiene una cantidad menor e igual a 2 litros, el tanque de
transesterificación está vacío y el sensor de carga del tanque 2 (Sc t2) es igual a 0, el
usuario ingresará la cantidad de litros que desea obtener de biodiésel, de no ser así se
desplegará un mensaje mostrando la información de los sensores.
Considerando que las características del tanque de precalentado son las
adecuadas para continuar con el proceso, nos encontramos con otra condicional que
sirve para verificar el nivel de aceite en el tanque de precalentado, si la cantidad es de
10 litros menor a la cantidad de aceite en el tanque y si esta cantidad es menor o igual
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a 20, se abrirá la válvula V1, V2 y se encenderá B1, de no ser así se mostrará un
mensaje el cual dirá que la cantidad de aceite no es la apropiada para el proceso.
Conociendo que de 20 litros de aceite se obtienen aproximadamente 16 litros de
biodiesel, se hace una relación para conocer la cantidad de aceite que se ocupará para
el proceso.
Para el llenado del tanque de precalentado se abrirá la válvula V1, V2 y se prende
B1, si la cantidad de aceite es igual al sensor de carga se cierra la válvula V1 y V2 y se
apaga B1, se prende la resistencia, de no ser así tenemos que esperar a que la cantidad
de aceite sea la adecuada.
Ahora se procederá con el calentamiento del aceite, si el aceite tiene una
temperatura igual a 65ºC, arrancará el timer, de no ser así se esperará hasta que la
temperatura sea la ideal, ya que el timer está encendido tenemos otra condición, en la
cual si el timer es igual a 5 minutos se apaga la resistencia, se cierran V1 y V2, se abren
V3 y V4 y se activa B1.
Esto es para mandar el aceite precalentado al tanque de transesterificación, si el
sensor de carga del tanque 1 es igual a 0, se apaga B1, se cierran V2 y V4 y se abren
las válvulas V7, V5 y V6 y se enciende B2, de no ser así se tendrá que esperar a que se
cumpla la condición del sensor de carga.
Para realizar la mezcla adecuada entre el aceite y los reactivos se ocupará la
relación 1:8 [1], si la cantidad de reactivos es la adecuada se cierra V7 y arranca el timer
de mezcla, de no cumplirse está condición no se podrá cerrar V7, si el timer de mezcla
es igual a 5 minutos se cierran las válvulas V5, V6 y se apaga B2 e inicia el timer de
decantación, de no cumplirse el tiempo de mezcla no puede avanzar el proceso.
Página 167
Si el timer de decantación es igual a 90 minutos se procede a la etapa de
separación del biodiésel de la glicerina utilizando un sensor de conductividad, si no se
llega al tiempo de decantación no puede continuar el proceso.
Para separar la glicerina del biodiésel tenemos la siguiente condición en la cual:
si el sensor de conductividad es igual a 1 se abre V9 para almacenar la glicerina, ya que
no hay glicerina en el tanque de transesterificación se cierra V9 y se enciende B2, una
vez que se abren y cierran las válvulas adecuadas se procederá al siguiente paso que
es el filtrado.
Si el sensor de carga 2 es igual a 0 se cierra V6 y se abre V10 e inicia el timer de
filtrado, si el timer de filtrado es igual a 30 minutos se volverá a separar el biodiésel de
las posibles impurezas, de no cumplirse el tiempo no puede avanzar el proceso, ya que
se cumplió el tiempo se utilizará otro sensor de conductividad, si dicho sensor es igual a
1 se abre V11 y se separa la glicerina del biodiésel, posteriormente solo quedará
biodiesel en el tanque de filtrado y se abrirán V11, V12 para almacenar el biodiésel.
3. Resultados
Una vez que se tiene el diseño mecánico de una planta de biodiesel, es posible
automatizar tomando todos los parámetros o procesos que son necesarios.
Para la obtención, en este trabajo se logró abarcar estos procesos al igual se
logró crear una interfaz de usuario de la cual una permite interactuar directamente con
el proceso y puede ser de fines de investigación o bien con fines didácticos al igual fue
posible la automatización completa del proceso únicamente introduciendo la cantidad
de biodiesel que se desea producir es necesario mencionar que la metodología y la
interfaz de usuario funcionan únicamente para la planta mostrada en la figura 2.
En la figura 3 se muestra como al intentar arrancar la B1 sin activar previamente
las válvulas el programa en LabVIEW manda un mensaje de error al mismo tiempo que
Página 168
termina el programa de esta manera el sistema se ve siempre protegido, así mismo se
presenta un mensaje para los distintos tipos de erro que puedan ocurrir.
En la figura cuatro se muestra el proceso de obtención de modo automático al
igual se muestra que si el usuario no ha indicado la cantidad de litros que desea
producir el sistema manda un error.
Figura 3: Planta de biodiésel en modo manual.
Figura 4: Planta de biodiésel en modo automático.
Página 169
4. Conclusiones
La automatización busca el equilibrio entre los elementos del sistema, brindar una
interfaz de fácil programación y manejo. Minimizar costos en la producción y en
mantenimiento. Este trabajo permite por un lado el manejo manual de la planta de
biodiesel lo cual servirá para realizar múltiples pruebas de producción, análisis de
procesos químicos dentro de un ambiente didáctico mostrando cada una de las etapas
de la obtención de biodiesel, ya que son pocos los equipos que cuentan con estas
características.
Referencias
García, R., Gómez Pérez, C. R., & Gonzáles Suárez, E. (2011). Planta Piloto con Fines
Experimentales para la Producción de Biodiesel. Centro Azúcar 38(1): 8-15.
Díaz, González, C. A., López, N. A., Gélvez, Arocha, O. A. & Chacón, Velasco, J. L.
(2008). Diseño Y
Construcción De Una Planta Piloto Para La Producción De
Biodiesel De Manera Continua. UIS Ingenierías, Volumen 7, No. 1, págs. 105 113.
Becerra, M., Centeno, A., & Giraldo, S. A. (2010). Búsqueda de Catalizadores Sólidos
Básicos para la Producción de Biodiesel. Información Tecnológica, Volumen 21 (4),
57-66.
Fukuda, H., Kondo, A. & Noda, H. (2001). Biodiesel Fuel Production by
Transesterification of Oils. Journal of Bioscience and Bioengineering. Volumen 92,
No. 5, 405-416.
Meher, L. C., Vidya, Sagar, D. & Naik, S. N. (2004). Technical aspects of biodiesel
production by transesterification – a review. Renewable and Sustainable Energy
Reviews 1-21.
Página 170
Análisis mediante Elemento Finito y simulación MonteCarlo de una
estructura para la obtención de las distribuciones de esfuerzos
Chávez Ayvar Félix1, Arroyo Ramírez Benjamín2, Quintana Rodríguez Juan Antonio3
1
Universidad Tecnológica de la Costa Grande de Guerrero –Carretera Nacional
Acapulco–Zihuatanejo km.201, Petatlán, Guerrero,40830, México.
1
[email protected]
2
Instituto Tecnológico de Celaya – Av. Tecnológico y A. García Cubas s/n, 38010
Celaya, Guanajuato, 38010, México
2
[email protected]
3
Instituto Mexicano del Transporte –Carretera Querétaro–Galindo km. 12 + 000,
Colonia Sanfandila, Municipio de Pedro Escobedo, Qro., 76703, México.
3
[email protected]
Resumen
En este trabajo se presenta el análisis del puente Barranca Honda, basado en
información proporcionada por el Instituto Mexicano del Transporte y videos del flujo
vehicular, que se tomaron del puente, se utilizó el paquete estadístico @Risk para
encontrar las funciones de densidad de probabilidad del peso de los vehículos.
Se desarrolló un programa en Fortran de simulación MonteCarlo y un modelo de
Elementos Finitos del puente asistido en StaDyn, para obtener las distribuciones de
esfuerzos del flujo vehicular actual y para la proyección de tráfico en los próximos 10,
20 y 30 años, con una tasa de crecimiento de 2%, 4% y 6%. Se encontró que el factor
de seguridad en el escenario flujo actual es de 3.56, con la proyección en años bajó
progresivamente hasta 3.05.
Palabras claves
Elementos Finitos, simulación MonteCarlo, factor de seguridad.
Página 171
1. Introducción
En México los puentes se construyeron en su mayoría hace 40 años los cuales fueron
diseñados con las cargas correspondientes al vehículo H-15, definido por versiones ya
no vigentes del reglamento AASHTO, que consideraba un peso bruto vehicular de 13.7
ton; Hoy en día circulan vehículos que superan dichas cargas, por ejemplo, un camión
T3-S3 tiene un peso bruto vehicular autorizado de 48 ton [1]. (2008, pág. 35)
En este trabajo se analiza el flujo vehicular, se presentan las distribuciones
estadísticas del peso con el que circulan los vehículos y se determinan las
distribuciones de los esfuerzos del puente Barranca Honda.
Se desarrolló un programa de la carga viva vehicular utilizando simulación
MonteCarlo asistido en Fortran, y un modelo de elementos finitos con ayuda de StaDyn,
para evaluar el desempeño del puente (Figura 1), situado en la carretera federal 136
Calpulalpan – Texcoco, km 32.4, en los límites entre el Estado de México y Tlaxcala.
La superestructura del puente está formada por dos vigas principales IPR de
acero unidas por travesaños de acero, tiene cuatro claros de 51 m y está soportado por
columnas de concreto.
Figura 1. Puente Barranca Honda.
Página 172
2. Desarrollo
Metodología
El programa MonteCarlo y el modelo del puente Barranca Honda calculan las
distribuciones de esfuerzos que se generan como resultado del paso de los vehículos.
En la Figura 2 se muestra el diagrama de la metodología del proyecto.
Selección
del puente
Información
estadística del
IMT
Video del Flujo
Vehicular del puente
Levantamiento
geométrico
Clasificación de
datos por tipo de
vehículo (3
Identificación del
tipo de vehículo
Documentar
el tiempo en
segundos entre
vehículos
Documentar
cantidad y carril
por donde circulan
los vehículos
Pruebas (3
experimentales
Determinar el
porcentaje de
(3
ocupación por carril
(3.2
Clasificación del
peso para cada tipo
(3.3
de vehículo
Determinar la
probabilidad de
ocupación vehicular
utilizando Fortran
Encontrar las
funciones de
densidad de
probabilidad
PROGRAMA MONTECARLO
Validación
MODELO DEL PUENTE
BARRANCA HONDA
DISTRIBUCIONES
DE ESFUERZOS
Figura 2. Diagrama de la metodología del proyecto.
La primera fase del proyecto consistió en seleccionar un puente de estructura de
acero del registro de Sistema de Puentes Mexicanos (SIPUMEX).
Página 173
En una segunda fase se estableció la demanda del puente en cuanto a carga,
utilizando la técnica MonteCarlo, para ello se analizaron videos del flujo de tránsito del
puente, con el objetivo de determinar el porcentaje de ocupación por carril y la
probabilidad de ocupación vehicular (con ayuda de un programa en Fortran).
Así también se analizaron estadísticas del peso de vehículos, proporcionados por
el Instituto Mexicano del Trasporte (IMT), con el fin de encontrar las funciones de
densidad de probabilidad del peso de vehículos, utilizando el paquete estadístico
@Risk.
En una tercera fase se desarrolló un modelo del puente Barranca Honda asistido
en Stadyn, el cual se alimenta con los datos generados en la fase anterior, y de esta
forma se determinó las distribuciones de esfuerzos presentes y futuros del puente.
ANÁLISIS ESTADÍSTICO DEL FLUJO DE VEHÍCULOS
Se tomaron videos del puente para analizar el flujo vehicular, se identificó que los tipos
de vehículos que circulan son: camión de dos ejes (C2), camión de tres ejes (C3),
Tractocamión de tres ejes con semiremolque de dos ejes (T3-S2), Tractocamión de tres
ejes con semiremolque de tres ejes (T3-S3), Tractocamión de tres ejes con
semiremolque de dos ejes y remolque de cuatro ejes (T3-S2-R4) y vehículos ligeros, y
determinó el porcentaje de ocupación por carril de cada vehículo, los resultados se
muestran en la Tabla 1.
Carril de baja
Vehículo
Cantidad
Ligeros
206
C2
52
C3
26
T3-S2
67
T3-S3
16
T3-S2-R4
10
%
54.64
13.79
6.90
17.78
4.24
2.65
Carril de alta
Cantidad
348
15
8
59
19
8
%
76.15
3.28
1.75
12.91
4.16
1.75
Tabla 1. Porcentaje de ocupación del puente Barranca Honda.
Página 174
PROBABILIDAD DE OCUPACIÓN DE VEHÍCULOS SOBRE EL PUENTE
Basado en datos estadísticos recabados de los videos del flujo vehicular del puente
Barranca Honda, se diseñó un programa en Fortran, que calcula la probabilidad de
ocupación del número de vehículos sobre el puente, para un promedio de velocidad de
90 km/h, los resultados dirección Calpulalpan, se listan en la Tabla 2.
Número de vehículos
Cero vehículos
Un vehículos
Dos vehículos
Tres vehículos
Cuatro vehículos
Cinco vehículos
Seis vehículos
Probabilidad
49.5113
35.1243
12.2610
2.7135
0.2782
0.0835
0.0279
Tabla 2. Probabilidad de ocupación de vehículos sobre el puente.
ANÁLISIS ESTADÍSTICO DEL PESO DE VEHÍCULOS
Este análisis se realizó con base en la información estadística del peso de 5400
vehículos, proporcionada por el Instituto Mexicano del Transporte. Los camiones y
tractocamiones que circulan sobre el puente Barranca Honda son C2, C3, T3-S2, T3-S3
Y T3-S2-R4; de los cuales se obtuvo la función de densidad de probabilidad del pesos
(ver Figuras 3 a 9), con ayuda del paquete estadístico @Risk versión 5.7. Estas
distribuciones estadísticas se utilizan en el programa de simulación MonteCarlo.
Weibull(3.2962;17101;Shift(3272.5))
2.5
2.0
Entrada
1.5
1.0
ExtValue
0.5
valores en x 10^-5
3
8
7
6
Entrada
5
4
Weibull
2
1
Figura 3. Distribución estadística del peso de
vehículos C2.
35000
30000
25000
20000
15000
10000
22000
20000
18000
16000
14000
12000
8000
10000
6000
4000
2000
Peso (kg)
5000
0
0.0
0
FDP
valores en x 10^-4
3.0
9
FDP
Extvalue(7229.2;2857)
Peso (kg)
vehículosC3.
Página 175
Weibull
2
1
Pesos (kg)
5
80000
70000
50000
Entrada
4
3
Uniform
2
1
Pesos(kg)
75000
74000
73000
72000
69000
0
67000
FDP
80000
75000
70000
65000
60000
55000
50000
45000
Weibull
6
66000
valores en x 10^-4
Entrada
40000
Uniform(66625.1;74974.9)
7
68000
Weibull(1.5801;14843;Shift(37371))
35000
valores en x 10^-5
FDP
Peso (kg)
vehículos T3-S3.
vehículos T3-S2.
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
60000
0
10000
70000
65000
60000
55000
50000
45000
40000
35000
30000
25000
20000
15000
0
Entrada
3
71000
Weibull
4
40000
2
5
70000
3
Entrada
FDP
4
30000
5
6
20000
1
Weibull(6.203;53897;Shift(2619.2))
7
valores en x 10^-5
valores en x 10^-5
FDP
Weibull(3.0882;25609;Shift(18223))
6
Peso (kg)
vehículos T3-S2-R4, sobrecargados1.
Weibull(1.8124;8936.6;Shift(83600))
Entrada
105000
100000
95000
90000
Weibull
85000
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
80000
FDP
valores en x 10^-4
vehículos T3-S2-R4, no excedidos.
Peso (kg)
Figura 9. Distribución estadística del peso de vehículos T3-S2-R4, sobrecargados2.
PROGRAMA MONTECARLO
La simulación MonteCarlo (ver Figura 10) se realizó en Fortran, aleatoriamente se
eligen el número y tipo de vehículos en base probabilidad de ocupación de vehículos
sobre el puente Barranca Honda y conjuntamente a la carga viva vehicular, basada en
la distribución estadística de cada uno de los tipos de camiones (C2, C3, T3-S2, T3-S3
Y T3-S2-R4), se determina la condición de carga para el puente, y posteriormente estos
datos alimentan el modelo de elementos finitos.
Página 176
G
E
N
E
R
A
D
O
R
No. Ciclos (n)
#
Porcentaje de
ocupación
Número de
vehículos
Tipo de
Identificación del
tipo de vehículo
1
vehículo
A
L
E
A
T
O
R
I
O
S
Distribuciones
estadísticas del peso
Asignación del
peso por tipo de
vehículo
(Carga viva)
(
Posición
Ubicación del tipo
de vehículo sobre el
puente
Si
1
Fin
¿n = x?
Hay
traslape
Almacenamiento de
datos
Distribuciones de
No
Modelo del puente
Barranca Honda
esfuerzos
Figura 10. Diagrama de simulación MonteCarlo.
MODELO DE ELEMENTOS FINITOS PUENTE BARRANCA HONDA
El puente (ver Figura 11) mide 204 m de largo, tiene cuatro claros de 51 m, sostenido
por tres columnas de concreto de 3 m x 12.5 m de base con 11 m de altura, consta de
dos vigas IPR principales de acero, unidas por travesaños superiores y travesaños
inferiores, tiene vigas contraventeadas horizontalmente y verticalmente, encima de esta
superestructura se encuentra una losa de concreto de 20 cm de espesor.
Página 177
1. Viga principal.
2.Travesaño superior.
3. Travesaño Inferior.
4. Contraventeo horizontal.
5. Contraventeo vertical.
6. Tablero.
Figura 11. Geometría del puente Barranca Honda, un claro.
El modelo de Elementos finitos del puente se realizó en el paquete StaDyn
versión 4.5(ver Figura 12), se utilizaron 1542 elementos y 676 nodos, a lo ancho del
puente se manejaron 12 elementos en una longitud de 11 m y 51 elementos a lo largo
del puente en una longitud de 51 m, se utilizaron elementos tipo placa para el tablero y
tipo viga para el resto de los componentes, en relación a las condiciones de frontera se
restringieron el movimiento en dirección Z y en dirección Y, en los extremos del puente.
Figura 12. Modelo del puente Barranca Honda.
Página 178
Validación del modelo del puente Barranca Honda
Para garantizar la validación del modelo se realizaron mediciones de vibraciones, sobre
el puente, en los puntos marcados en la Figura 13, se tomaron mediciones a ½ de cada
claro del puente así como también en un claro del puente se midieron a ¼, ½ y ¾, en
ambas direcciones de flujo vehicular (Texcoco y Calpulalpan).
Figura 13. Puntos de medición de vibraciones del puente Barranca Honda.
1.20E-01
1.00E-01
8.00E-02
6.00E-02
m/s2
4.00E-02
2.00E-02
0.00E+00
-2.00E-02
0
10
20
Frecuencia (Hz)
30
Figura 14. Espectro de vibración, amplitud máxima en 2.4 Hz.
En total se registraron 24 mediciones de vibración, en la Figura 14 podemos
observar el espectro de una de estas medidas, el promedio de éstas es 2.356 Hz,
comparativamente se realizó un análisis de vibraciones en StaDyn para el modelo del
puente se encontró una frecuencia natural igual a 2.396 Hz, existe una variación de
1.69% entre las dos frecuencias.
3. Resultados
Ciclos de carga presentes y futuros del puente Barranca Honda
El flujo vehicular en la dirección Calpulalpan es de 6672 vehículos por día, lo que
corresponde a igual número de ciclos de carga sobre el puente, con la siguiente
Página 179
composición: 66.43% son vehículos ligeros (autos compactos, pickups, camionetas,
etc.), 8.03% C2, 4.08% C3, 15.11% T3-S2, 4.20% T3-S3 y 2.16% T3-S2-R4.
En la dirección Texcoco el flujo vehicular aplica sobre el puente 5088 ciclos de
carga diarios, desglosados de la siguiente forma: 70.75% vehículos ligeros, 6.60% C2,
3.93% C3, 12.42% T3-S2, 2.99% T3-S3, 3.30% T3-S2-R4.
Se utilizó el flujo vehicular dirección Calpulalpan, por ser el mayor, como base
(flujo actual o año cero) para calcular la proyección de tráfico para los próximos 10, 20 y
30 años, con una tasa de crecimiento de 2%, 4% y 6% [2] (2009, pág. 97). Las
proyecciones se obtuvieron mediante la fórmula: CV = CVA (1 + i)n en donde CV =
cantidad de vehículos en n años, CVA = cantidad de vehículos actual, i = tasa de
crecimiento, n = número de años [2] (2009, pág. 99), los resultados se observan en la
Figura 15.
45000
Proyección del tráfico
(Vehículos diarios)
40000
35000
30000
25000
20000
15000
V
e
h
í
c
u
l
o
s
6%
4%
38320
2%
21398
21639
14619
10000
6672
12085
11948
9876
8133
9914
5000
0
0
10
Años
20
30
Figura 15. Flujo vehicular proyectado a 10, 20 y 30 años.
Distribuciones estadísticas de esfuerzos del puente barranca honda
En los resultados de la grafica 15 se observa que algunos flujos vehiculares son muy
cercanos (11948 ≡ 12085, 9876 ≡ 9914, 21398 ≡ 21639), por ésta razón se decidió
obtener la distribución de esfuerzos de 7 escenarios: flujo actual, y las proyecciones en
10 años con tasas de crecimiento de 2%, 4% y 6%, en 20 años 4% y 6%, y en 30 años
6%.
Página 180
Para obtener estas distribuciones de esfuerzos del puente se realizaron 60,000
simulaciones con el programa MonteCarlo, para cada escenario. En la tabla 3 se listan
las Distribuciones estadísticas de esfuerzos, de los 7 escenario de flujo proyectados,
obtenidas utilizando el programa de simulación MonteCarlo y el paquete estadístico
@Risk. En la Tabla 4 se muestra un resumen de los esfuerzos críticos obtenidos en la
simulación MonteCarlo para cada escenario.
Flujo vehicular
actual
10 años
10 años
10 años
20 años
20 años
30 años
Tasa de
crecimiento
0%
2%
4%
6%
4%
6%
6%
Distribuciones
estadísticas de esfuerzos
Pareto(37.692,88.927)
Pareto(36.454,89.055)
Pareto(32.316,88.926)
Pareto(39.7,88.932)
Pareto(34.166,89.055)
Pareto(28.838,88.93)
Pareto(24.294,89.045)
Tabla 3. Esfuerzos máximos y factores de seguridad de la simulación MonteCarlo.
Flujo
vehicular
actual
10 años
10 años
10 años
20 años
20 años
30 años
Tasa de
Esfuerzo
crecimiento Máximo (MPa)
0%
136.074
2%
138.664
4%
139.601
6%
140.134
4%
147.538
6%
154.436
6%
158.916
Factor de
seguridad
3.56
3.50
3.47
3.46
3.29
3.14
3.05
Tabla 4. Esfuerzos máximos y factores de seguridad de la simulación MonteCarlo.
4. Conclusiones
El ciclo de carga actual para el puente Barranca Honda es 6672 vehículos diarios, la
proyección de tráfico para los próximos 10, 20 y 30 años, se muestra en la Figura 15.
También se determinaron las distribuciones de esfuerzos del puente para los 7
escenarios más críticos proyectados, los resultados se muestran en la Tabla 3.
Página 181
El factor de seguridad del puente de flujo actual para el valor más crítico es 3.56,
el factor más bajo es 3.05 y lo presentó el escenario proyección de flujo vehicular a 30
años con tasa de crecimiento de 6%, los resultados obtenidos en los distintos
escenarios críticos muestran un factor de seguridad mayor que 3, y el factor de
seguridad para el escenario normal actual es de aproximadamente de 5.3, con esto se
concluye que los factores de seguridad del puente son adecuados.
El desempeño del puente Barranca Honda se evaluó utilizando como parámetros
comparativos el factor de seguridad. En base a los resultados obtenidos en este trabajo
se puede decir; que el puente soportará el tráfico actual y en los próximos 30 años.
Referencias
[1] SCT, NOM-012-SCT-2-2008.( 2008). Sobre el peso y dimensiones máximas con los
que pueden circular los vehículos de autotransporte que transitan en las vías
generales de comunicación de jurisdicción federal.
[2] Quintana Rodríguez J. A. (2009). Análisis del método de búsqueda global para la
detección de daño y monitoreo estructural de puentes. IPN.
Página 182
Análisis de falla y estadísticos para la implementación de un
programa de mantenimiento
1
Sandra Luz Rosas Alatorre, 2Ezequiel Esteban Calderón, 3Juan Morales Porras,
1,2,3
Universidad Tecnológica de Ciudad Juárez - Ave. Universidad Tecnológica #3051,
Col Lote Bravo II, Ciudad Juárez, Chihuahua. México, C.P. 32695
1
[email protected], [email protected],
3
[email protected]
Resumen:
Este artículo explica la aplicación de técnicas que permiten determinar los
requerimientos de mantenimiento preventivo y correctivo para un expeditador de
boletos en un estacionamiento. Esta investigación se realizó en una empresa de
estacionamientos en donde ellos deseaban prologar la vida de sus expeditadores de
boletos de estacionamiento, este trabajo se llevo a cabo durante cuatro meses (Enero–
Abril del 2011). Primeramente se aplica un análisis estadístico para el establecimiento
de parámetros entre fallas con la distribución Weibull, después se llevó a cabo el
análisis de modo y efecto de la falla (AMEF), se mostrara algunos análisis para
identificar el comportamiento de ciertas partes criticas del equipo así como acciones
tomadas permitiendo ver la mejora en el desempeño del equipo y así tomar acciones
que sirven para modificar la vida de los equipos y establecer su criticidad, logrando
ajustar la vida por desgaste de los equipos en equipos a futuro.
Palabras Claves
Tiempo entre fallas, Weibull, Modos de fallas.
1. Introducción
Las empresas de América latina, utilizan técnicas y herramientas de análisis de
confiabilidad para optimizar el desempeño de sus activos. El mantenimiento centrado
en la confiabilidad es utilizado con más frecuencia para la definición y optimización de
estrategias de mantenimiento.
Página 183
[1] Para este caso de aplicación del mantenimiento centrado en la confiabilidad,
se realizaron en una empresa de estacionamientos en el cual se analizaron fallas
presentadas de sus equipos de un año anterior y su implementación fue en cuatro
meses para una máquina, se utilizaron herramientas básicas para el análisis de efecto y
modo de fallas, tales como: diagramas de Pareto (80-20), cálculo de los parámetros de
tiempos entre fallas utilizando la distribución Weibull por medio del método de mínimos
cuadrados, los cuales indicaron el comportamiento de los equipos evaluados y en base
a esto se pudieron implementar acciones, con el fin de minimizar la ocurrencia y
aumentar la detección de las causas de falla.
[2] A través de este programa se puede controlar y administrar de una manera
más eficiente las funciones de dicho mantenimiento. Permitiendo dar seguimiento a que
los objetivos se logren, tales como:
•
Reducir los paros imprevistos, Incremente la vida útil de los equipos, reducir
costos por mantenimiento correctivo, aumentar la confiabilidad y uniformidad en
la producción, Así como organizar y documente la gestión del mantenimiento de
la empresa.
2. Desarrollo
Las empresas y el comercio requieren de sistemas y mecanismos que permita tener un
mejor control en el manejo y afluencia de acceso de vehículos a sus instalaciones, y
esto depende de sus aparatos de entrada y salida, es por ello que las consecuencias
no reconocidas de falla, pueden impactar en la seguridad del personal, puede tener
consecuencias inaceptables ética y jurídicamente, así como costos financieros. Para
cumplir con este reto, las empresas tienen que anticiparse a los posibles problemas que
pudieran ocurrir con los equipos industriales y programar un plan de mantenimiento
adecuado a la fiabilidad con la que se comportan los distintos elementos del sistema
productivo.
Página 184
[2]Sin embargo, ¿cómo puede ser fiable un plan de mantenimiento si no se
tienen los repuestos necesarios para realizar una determinada tarea? ¿De qué nos
sirve saber lo que tenemos que hacer, si en un momento determinado no podemos
hacerlo?. Es por ello, que el caso, plantea una implementación en una empresa de
servicio, la cual lleva a cabo el control de transacciones de los estacionamientos ya que
monitorean la entrada y salida de los vehículos y se costea la estancia de ellos por
sistema.
Descripción del proceso: Para fines de estudio de este articulo se describen los
procedimientos que se van a trabajar para identificar las funciones de los equipos
(Tabla 1, 2, 3 y4).
Tabla 1 Actividades del proceso 1 y equipos relacionados a las mismas
Página 185
En la actualidad, los equipos que se encuentran en operación sobrepasan el
tiempo estimado de vida útil, ya que por no ser equipos muy comerciales la demanda es
baja y por lo tanto sus precios son elevados, lo que conlleva a que sus inversionistas
prefieran explotarlos lo mas que se pueda.
Regularmente el costo de los equipos que se adquieren se proyecta recuperarlo
en un plazo no mayor a 3 años, y se estiman ganancias con los mismos por 3 años más
de operación, lo que da un tiempo de vida útil de los equipos de 6 años
aproximadamente.
Relación entre la probabilidad de falla y el tiempo: Mora G.A, (2009)[2][3][4]
Menciona que tradicionalmente se pensaba que la relación era muy simple: a medida
que el equipo es más viejo, es más probable que falle. Sin embargo, estudios
realizados en distintas industrias muestran que la relación entre la probabilidad de falla
y el tiempo u horas de operación es mucho más compleja. No existen uno o dos
patrones de falla, sino que existen 6 patrones de falla distintos, como se muestra en el
informe original de Nowlan & Heap , las clasifica como:
•
Patrón A, Presenta mortalidad infantil, y superar una vida útil identificable.
•
Patrón B, o curva de desgaste.
•
Patrón C, Incremento en la probabilidad condicional de la falla.
•
Patrón D, Mortalidad infantil y entra en una zona de probabilidad
Página 186
•
Patrón E, o patrón de falla aleatorio.
•
Patrón F, Mortalidad Infantil seguido de una probabilidad condicional de falla
Los datos analizados mediante las distribuciones pueden responder a diferentes
características, de acuerdo con el tiempo y el evento de estudio, como, por ejemplo, el
tiempo de funcionamiento del equipo (MTTF por sus siglas en inglés)[4][5], el tiempo de
operación del sistema (MTBF por sus siglas en inglés). Se obtiene dividiendo el tiempo
total de operación entre el número de paros por falla (1).
Donde:
𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀 =
𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇
𝐹𝐹
(1)
TTO = Tiempo total de operación en el periodo
F = Número total de fallas
Parámetros de vida útil y de reparaciones en Weibull: Mora, (2009) La distribución
Weibull nos permite estudiar cual es la distribución de fallos de un componente clave de
seguridad que pretendemos controlar, y que a través de nuestro registro de fallos
observamos que estos varían a lo largo del tiempo y dentro de lo que se considera
tiempo normal de uso.
Expresión matemática de la distribución: La función de densidad de la distribución
de Weibull para la variable aleatoria t está dada por la siguiente expresión (2):
Página 187
(
Donde:
t: Variable aleatoria que, para el caso de la confiabilidad, representa el tiempo entre
fallas.
β: Parámetro de forma (0<β<∞)
θ: Parámetro de escala (0<θ<∞)
δ: Parámetro de localización (-∞<δ<∞)
El parámetro β, determina la forma o perfil de la distribución, la cual es función del
valor de éste, el parámetro θ indica la escala de la distribución, es decir, muestra que
tan aguda o plana es la función, el parámetro δ indica, en el tiempo, el momento a partir
del cual se genera la distribución.
La función confiabilidad R (t) de Weibull se determina por la siguiente expresión (3):
(
La función distribución acumulativa F (t) es el complemento de la función confiabilidad y
se define de la siguiente manera (4):
(
El método de los mínimos cuadrados permite calcular los parámetros de forma y
escala, mediante la transformación doble logarítmica de la función de distribución
acumulativa (ecuación 4) arriba mencionada.
Página 188
Descripción del expedidor de boletos modelo TD-300 : Son los expedidores
de boletos de estacionamientos son modelo TD-300, suelen ser utilizados con
detectores de pasaje en el asfalto o pavimento y barreras de control de entradas (Figura
2).
Figura 2. Expedidor de boletos modelo TD-300
El Análisis de Pareto (80-20): Se muestra a continuación la frecuencia de las
fallas en una muestra de 10 equipos expedidores de boletos modelo TD-300, así como
su porcentaje y acumulado del mismo (Tabla 5).
Falla
Frecuenc
s
ia
%
%
acumulado
41
A
25
%
41%
25
B
15
%
66%
16
G
10
%
82%
E
5
8%
90%
D
3
5%
95%
C
2
3%
98%
F
1
2%
100%
TOT
AL
10
61
0%
Tabla 5. Datos capturados en el mes de marzo de 2011 Julio, (2011)
Página 189
El 80% de los defectos de producción son ocasionados por las fallas A y B, y en
menor medida por la causa G, como se muestra en la figura 3.
Figura 3. Grafico de Pareto Julio,( 2011)
Distribución Weibull
A continuación se determinan los parámetros de la distribución Weibull por el
método de los mínimos cuadrados.
Método de los mínimos cuadrado: Se tomaron muestras y el tiempo medio
entre fallas en un período de 30 días, así como, el rango medio y los cálculos
correspondientes para la determinación de los valores de la abscisa “x” y “y”, con los
cuales se realizó el trazado del gráfico de dispersión y se definió la ecuación lineal de
regresión.
Grafico de dispersión :R² indica que solo el 82.9% de los datos coinciden con la
línea de tendencia (Figura 4).
y = -0.942x - 0.178
R² = 0.829
Figura 4 Grafico de dispersión
Página 190
Distribución de función de densidad de probabilidad Weibull
Pendiente β= 1.0852, lo que indica que como β>1 las fallas son por desgaste y la tasa
de fallos crece con el tiempo (Figura 5).
Figura 5 Grafico de función de densidad
Figura 5. Gráfico de distribución de función de densidad de probabilidad Weibull
Estas son fallas que se presentan en el sistema mecánico [3] y se clasificaron como:
•
Fatiga , Fallas de rodamientos, Corrosión, Erosión
.
Figura 5 (Julio, 2011) Análisis de modo y efecto de falla potencial (AMEF)
Número prioritario de riesgo (RPN) por falla según el AMEF realizado.[2][3]
•
Falla A
RPN= 120
Riesgo de falla alto.
•
Falla B
RPN= 45
Riesgo de falla bajo.
•
Falla G
RPN= 50
Riesgo de falla medio.
Página 191
3. Resultados
Aquí se muestran los resultados obtenidos con la implementación del programa de
mantenimiento, con ayuda de la metodología presentada anteriormente.
Análisis de Pareto (80-20): Al atacar las fallas A, B y G que producen el 80% de
los defectos, con acciones correctivas orientadas a atacar la causa raíz de las mismas
en base al AMEF realizado, se obtuvieron nuevos datos de modo de falla.
Se muestra a continuación la nueva frecuencia de falla en la muestra de los 10
equipos expedidores de boletos modelo TD-300, así como su porcentaje y acumulado
del mismo (Tabla 7).
Fall
as
Frecuenci
a
%
%
acumulado
40
A
10
%
40%
20
E
5
%
60%
12
D
3
G
2
8%
80%
B
2
8%
88%
C
2
8%
96%
F
1
4%
100%
TOTA
L
%
72%
10
25
0%
Tabla 7 Datos capturados en el mes de mayo de 2011
Página 192
Como se puede apreciar en la figura 6, ahora el 80% de los defectos de
producción son ocasionados por las fallas A, E, D y en menor medida por la causa G.
Figura 6. Gráfico de Pareto
La falla A sigue siendo una causa potencial del 80% de los defectos de
producción, pero en menor grado de ocurrencia, por lo que se abre paso a buscar otras
áreas de oportunidad para la reducción en el 80% de las causas de falla, y con esto se
logra un ciclo de mejoramiento continuo en la disponibilidad de estos equipos de control
de tráfico vehicular.
Distribución Weibull: A continuación se determinan nuevamente los parámetros
de la distribución Weibull por el método de los mínimos cuadrados.y se elabora el
Grafico de dispersión R² indica que el 96.5% de los datos están alineados con la línea
de tendencia (Figura 7).
y = -1.095x - 0.130
R² = 0.965
Figura 7. Gráfico de dispersión
Se puede ver que al disminuir los índices de ocurrencia de falla, los datos se
alinean mas en el gráfico de dispersión a la línea de tendencia, ya que estos se
alinearon a un 13.6% más con la misma.
Página 193
Entonces se puede decir que las acciones correctivas integradas a los planes de
mantenimiento han sido adecuadas para el fin propuesto.
Análisis de modo y efecto de la falla (AMEF) en expedidor modelo TD-300
Los cambios que se impactaron al integran acciones tomadas para prevenir las fallas
descritas en el análisis de Pareto, se cálculo nuevamente el número prioritario de riesgo
(NPR), (Figura 9).
Figura 9. Análisis de modo y efecto de falla potencial (AMEF), con acciones tomadas
Los nuevos números prioritarios
de riesgo (RPN) por falla según en el AMEF
realizado en base a las acciones correctivas:
•
Falla A
RPN= 34
Riesgo de falla bajo
•
Falla B
RPN= 32
•
Falla G
RPN= 20
Se ve la disminución del índice de RPN con las acciones correctivas tomadas,
por lo que se determina que dichas actividades han sido bien encaminadas a disminuir
el grado de ocurrencia.
Página 194
Conclusiones:
El uso de la herramienta FMEA fue determinante para evaluar y analizar las fallas y
determinar los posibles controles para minimizar su ocurrencia, auxiliando para dar
prioridad en el entrenamiento a sus técnicos en las piezas criticas debido a su alto RPN
estableciendo estrategias tanto en el mantenimiento preventivo.
Complementado con el uso de la herramienta Curvas de Weibull ayudó a
determinar de manera estadística la frecuencia de aplicación de los controles para
mejorar la eficiencia y el uso de los recursos humanos y materiales, así como,
establecer la vida esperada de las refacciones auxiliando a determinar los tiempos que
se manejarían para la compra de ellas de esta manera se cargarán las rutinas en el
sistema de administración de mantenimiento, con información confiable, que ayuda a
ser más eficiente el uso de los recursos financieros en este punto se tiene oportunidad
de dar mayor investigación para establecer estrategias que prolonguen la vida útil de
los equipos.
Referencias
[1]Julio, R. S. (2011). Análisis de fallo para la implementación de un programa de
mantenimiento seguro en equipos de control. Ciudad Juarez: UTCJ.
[2]M., J. R. (Febrero de 2011). RCM Mantenimiento Confiabilidad Operativa. Juárez,
Chihuahua, México: Ejecutivos Mexicanos.
[3]MIL-STD-1629A. (24 de noviembre de 1980). Procedures for performing a failure
mode,effects and criticality analysis. Recuperado el 2 de abril de 2011, de superbending
mil-stad1629: http://www.fmea-fmeca-com
[4]Mora, G. A. (2009). Mantenimiento Planeación, ejecución y control. México D.F:
Alfaomega.
[5]Palencia, O. G. (2008). Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia.
Recuperado
el
18
de
Mayo
de
2012,
de
Confiabilidad
.net:
http://confiabilidad.net/articulos/gestion-integral-de-mantenimiento-basada-enconfiabilidad/
Página 195
Propuesta de prototipo de sistema de elevación para husillo de
máquina CNC
Alberto Tudón Martínez1 José Luis Antonio Constante Mendoza2 José de Jesús
Robledo Córdova3
1, 2, 3
Universidad Tecnológica de San Luis Potosí – Prol. Av. De las Américas No. 100,
Rancho Nuevo, Soledad De Graciano Sánchez, San Luis Potosí, 78430. México
1
Resumen
La carencia de herramientas para realizar actividades de mantenimiento en las
empresas se vuelve un problema para el personal que realiza dichas actividades, no es
la excepción una empresa que se dedica a la fabricación de piezas automotrices
utilizando máquinas de control numérico computarizado (CNC), dicha empresa realiza
actividades de mantenimiento de una manera insegura tanto para el personal como
para el equipo, además el tiempo que se consume en realizar la actividad perjudica los
indicadores de producción y calidad de los productos.
El problema que se pretende resolver con la realización del presente proyecto, es que
el personal de mantenimiento tenga con una herramienta que sirva de apoyo cuando
requieran cambiar un husillo modelo Stama de 9 máquinas de control numérico
computarizado que existen en la empresa, el husillo se cambia de las máquina ya sea
por daños (mantenimiento correctivo) o por un determinado tiempo de uso
(mantenimiento preventivo).
Como datos importantes de husillo tiene un peso de aproximadamente 30 kgs.,
además esta ensamblado con sus respectivos rodamientos, por tal motivo debe
manipular con extremo cuidado para no dañar los rodamientos o el cuerpo del husillo.
Palabras clave:
Propuesta, Husillo, Herramienta.
Página 196
1. Introducción
El presente proyecto surge de una necesidad real de una empresa que se dedica a la
fabricación de piezas automotrices y dentro de sus proceso está incluido el uso de
máquinas de control numérico computarizado, para desarrollar diversas operaciones,
en estas máquinas es donde surge el problema, cuando se requiere cambiar el husillo
principal de las máquinas por diversas razones, una podría ser por daño del husillo y la
otra podría ser por haber cumplido un determinado número de horas de trabajo. Al
problema que se enfrenta el personal que realiza el cambio del husillo es que no tiene
alguna herramienta o dispositivo de apoyo para realizar dicha actividad.
Para dar solución a este problema se presentó una propuesta de un sistema de
elevación que facilite el cambio del husillo, sin que represente algún riesgo para la
persona y para la máquina, así como también daños en el propio husillo.
La propuesta estuvo basada en modelos matemáticos, investigación bibliográfica
y constantes visitas a la empresa donde realizan el cambio del husillo.
Se elaboró un análisis funcional para determinar las actividades que se
ejecutaban en el cambio del husillo, para después proponer alternativas de solución de
cada una de dichas actividades. Mediante una evaluación de las alternativas se eligió la
mejor, este procedimiento se realizó para cada actividad del análisis funcional.
Una vez elaborada la propuesta de cada función se seleccionaran diversos
elementos que ayuden a efectuar las actividades y posteriormente se elaboró un
croquis. Cuando se determinó cada uno de los elementos se procedió a elaborar los
dibujos de taller para una futura fabricación del prototipo.
2. Desarrollo
El prototipo consta de una abrazadera bipartida, la cual tiene la función de sujetar el
prototipo de la camisa del husillo por medio de un tornillo, la abrazadera bipartida tiene
Página 197
cuatro barrenos roscados que sirven para sujetar las cuatro barras guías de uno de sus
extremos, en el extremo opuesto de las guías se acopla una placa base que en su parte
central tiene insertado una tuerca de bronce que acopla con el tornillo sinfín para
transmitir movimiento a la placa móvil, que se desliza por medio de bujes de bronce y
que tiene una cavidad en la parte central para colocar el husillo que se desea bajar o
subir. [1]
Para la selección de los elementos se analizaron los objetivos a cumplir y las
formas de lograrlos, esto mediante la generación del diagrama de funciones que se
presenta en la figura 1, donde se debe apreciar el encadenamiento de cada una de las
funciones necesarias para que el prototipo cumpla cada uno de los objetivos
particulares y por tanto con el objetivo principal.
Sujeción del husillo
Bajar el husillo
Centrar husillo nuevo y/o
reparado
Figura No.1, Diagrama de funciones
Subir husillo nuevo y/o
Figura 1. Diagrama de funciones
La elección de los elementos a emplear se realiza en base a una comparativa de
las diferentes estructuras técnicas que pueden satisfacer una función en la máquina a
diseñar. En esta comparativa se analizaron las ventajas y desventajas de estructuras
Página 198
técnicas propuestas, y más adelante se selecciona alguna en base a una ponderación.
En la ponderación para la selección se consideraron factores tales como tamaño, costo,
complejidad de la estructura y funcionamiento. [2]
Comparando los mecanismos enunciados en la Tabla 1, se realiza la tabla de
valoración correspondiente, en base a una comparativa para seleccionar la mejor
opción para la sujeción del cable; esta valoración se presenta en la Tabla 2, donde se
eligió el pisador neumático. En esta tabla la ponderación se realizó dando valores de 1
a 3 donde 3 es la mejor opción y 1 la menos adecuada.
Dispositivo
Manual
Ventaja
Desventaja
No daña el husillo
Económico
Es cansado
Inseguro para el equipo
Inseguro para el personal
Prensa mecánica
Económico
Fácil operación
Fácil de conseguir
Sujeción confiable
Incomoda
Maltrata el husillo
Cilindro hidráulica
Fácil de conseguir
Sujeción confiable
Ajuste de presión
Se requiere de
sistema hidráulico
Incomodo
Costo alto
Abrazadera bipartida
un
Fácil de conseguir
Requiere dispositivo para
Económica
medir el torque
Ajustable
Puede dañar el husillo
Fácil de colocar
No
se
requiere
herramienta adicional
Tabla 1. Sujeción del husillo
Posteriormente se elaboró una evaluación de cada uno de los elementos o
mecanismos de acuerdo a la experiencia y conocimientos de cada uno de los autores
participantes en el proyecto, como se muestra en la Tabla 2.
Página 199
Funcionamie
nto
Evaluació
n
Total
1
1
8
2
1
1
5
1
1
1
3
6
3
3
3
3
12
Dispositiv
o
Tamaño
Costo
Manual
3
3
1
Prensa
Mecánica
Cilindro
hidráulico
Abrazader
a bipartida
Complejid
ad de la
estructura
Tabla 2. Evaluación para la selección del sistema de sujeción del husillo
De acuerdo a cada evaluación, se seleccionó el elemento que acumuló mayor
puntuación, este procedimiento se realizó para cada actividad del análisis de funciones.
Finalmente se conjuntaron todos los elementos, elaborándose un ensamble del
prototipo que se utilizará en el cambio del husillo tipo Stama, el cual se muestra en la
figura 2.
Figura 2. Ensamble de prototipo
En las figuras 3, 4, 5, y 6, se muestran algunos de los esquemas de fabricación
de los elementos que componen el prototipo del sistema de elevación, en los cuales se
muestra la placa fija, la abrazadera bipartida (parte 1 y parte 2) y la barra guía. [3]
Página 200
Figura 3. Placa fija.
Figura 5. Brida bipartida 2.
Figura 4. Brida bipartida 1.
Figura 6. Barra guía.
3. Resultados
Al realizar este proyecto fue posible la elaboración del prototipo del sistema de
elevación para el husillo tipo Stama, que cumple con las expectativas del cliente,
satisfaciendo las necesidades más importantes que son: la seguridad del personal y de
la máquina y la disminución de tiempo en realizar la actividad del cambio del husillo.
El dispositivo cumple con las condiciones básicas de diseño, es decir, es claro
porque no existe complejidad en sus movimientos, sencillo al no contar con un sistema
ni dispositivos auxiliares, es de fácil manejo y de un mantenimiento mínimo.
Página 201
Con la utilización del dispositivo se logró una reducción del 43% de tiempo en la
realización del cambio del husillo, de 70 a 40 minutos, por consecuencia un incremento
considerable en la producción y calidad del servicio de mantenimiento.
Para finalizar el proyecto se elaboraron los esquemas de los elementos que
conforma el prototipo del sistema de elevación, los cuales servirán para su futura
fabricación.
4. Conclusiones
La elaboración de nuevas herramientas, siempre serán de gran ayuda para el
personal que realiza actividades de mantenimiento y poder cumplir con los objetivos
departamentales y organizacionales
El proyecto contribuirá a realizar las actividades de mantenimiento en un menor
tiempo y brindando un servicio con una mejor calidad a sus clientes inmediatos.
Trabajando con herramientas adecuadas se reducen el índice de accidentes
personales y daños a los equipos de trabajo.
Referencias
[1] Mott, Robert L. (1996). Diseño de elementos de máquina. México: Pearson.
[2] Gere, Jame M. (2006). Mecánica de materiales. México: Thomson
[3] Chevalier, A. (2005). Dibujo Industrial. México: Limusa.
Página 202
Diseño y desarrollo de un robot hexápodo para el aprendizaje de la
Mecatrónica.
Arroyo Chávez Víctor Ventura1, García Mendoza Rufino2, González Vaca Leonardo
Jesús 3
1, 2, 3
Universidad Tecnológica de San Juan del Rio – Av. La Palma No. 125 Col. Vista
Hermosa, San Juan del Rio, Querétaro, cp. 76800 México
1
3
[email protected]
Resumen
El siguiente artículo es referente a la creación de un robot hexápodo, desde los
principios de la estructura hasta la parte de programación, en este proyecto se utilizaron
diferentes herramientas que involucran el desarrollo de distintos prototipos de
automatización y control.
El objetivo de este proyecto consta de la elaboración de un robot que sea capaz
de realizar algunas actividades de la manera más autónoma posible, siempre y cuando
cumpla con ciertos parámetros.
A lo largo del artículo se explicara detalladamente la construcción de las partes
que componen el robot. Con este modelo nos hemos dado cuenta que al ser un sistema
reprogramable se puede ocupar para diferentes fines o necesidades del usuario, esto
es importante ya que al tomarlo para una competencia el resultado fue ampliamente
satisfactorio.
Palabras claves
Robot Hexápodo, Plataforma de diseño, arduino.
Página 203
1. Introducción
Hoy en día la gran demanda que existe a nivel mundial por la tecnología, ha avanzado
exponencialmente para un mejor desarrollo en sus diferentes ramas, que han sido de
gran ayuda en distintas aplicaciones[1].
Con este artículo se pretende que tanto investigadores como alumnos de las
distintas universidades, se vean interesados en modelos robóticos conocidos para la
innovación y mejora de modelos ya existentes.
Cabe mencionar que la robótica tiene como objetivo desarrollar robots que
realicen funciones y movimientos autónomos a semejanza del ser humano, esta vez se
planea desarrollar un robot hexápodo que realice funciones y movimientos semejantes
a un insecto, cumpliendo con las normas para participar en el XV Concurso Nacional y
IV Congreso de Minirobótica en la categoría de carrera de insectos.
Posteriormente mencionaremos la construcción de cada una de las partes que
componen al robot hexápodo, desde su diseño y pasando por las diferentes etapas
hasta llegar a su parte física terminada.
2. Desarrollo
Respecto al robot hexápodo se emplearon diferentes herramientas, equipos y
materiales para realizar su fabricación y control como se muestran en la Tabla 1.
Software y Equipo *
SolidWorks 2012
Axon 2
Arduino 1.0.3
Proteus 7.9
* Impresora 3D Rapman 3.2
Material
Placa Arduino Mega 2560R3
Servomotores HD 1711
Batería KING-MAX tipo LIPO 7.4V a 2.2A
Batería de 9V
Plástico ABS 3mm
Sensor QRD-1114
Regulador de voltaje LM-323 TO-3
Tabla 1. Elementos necesarios para la fabricación.
Página 204
Desarrollo del diseño: Para esta etapa utilizamos el software de diseño SolidWorks
2012 el cual tiene una interfaz de usuario amigable y en algunas de sus herramientas
se pueden observar ciertos parámetros como los cuales pueden ser: Puntos de colisión,
propiedades
de
los
materiales,
resistencia
de
materiales,
colores,
medidas,
simulaciones[2], ensambles como se muestra en la (figura 1), etc. Y gracias a estos se
puede facilitar tanto el diseño como la simulación de las partes que componen el robot
hexápodo como se muestra en la (figura 2).
Figura 3. Ensamble de SolidWorks
Figura 4. Pieza tapa superior. SolidWorks 2012
Axon 2: Este software permite compilar los archivos STL del programa SolidWorks
2012, convirtiéndolos en archivos BFB (mapa de bits) debido a que la impresora 3D
RAPMAN3.2 solo permite archivos de este formato. Dentro de este programa se
realizan los ajustes necesarios para la impresión tales como: tipo de impresora, numero
de cabezales, tipo de material, resolución requerida, y el tejido de la impresión; como se
Página 205
muestra en la figura. 3. Con este programa podemos saber el tiempo aproximado que
tarda en imprimir la pieza.
Figura 5. Pieza tapa superior y parámetros Axon 2
Arduino 1.0.3: Es un software de programación de alto nivel [3], el cual su estructura
se basa en lenguaje C, ya que este entorno contiene las librerías necesarias para el
funcionamiento y control de los servomotores utilizados para este proyecto.
Mostraremos una serie de comandos básicos para que el robot sea capaz de caminar,
el objetivo de este software es que se utilice para crear la lógica de programación de
acuerdo a las necesidades de cada usuario.
1
2
3
Figura 6. Librerías y Objetos
Página 206
En la figura 4 se muestra como realizar un programa con servomotores la librería inicial
(1) se manda llamar para poder desarrollar la logica de programación. Posteriormente
se crea un objeto (2) o el nombre con el que se mandara llamar el servomotor. Seguido
de esto podemos declarar la variables globales (3) de tipo entero (int) incluso pueden
ser de otro tipo ya sean: double, char, float, etc. Eso dependera de las operaciones que
el programador requiera.
Figura 7. Pantalla que muestra el void setup
En la figura 5 se muestra un segmento de código donde se realiza la configuración de
los puertos de salida tanto como los de entrada, este ciclo solo compila una sola vez al
ejecutar el programa.
Figura 8. Pantalla que muestra el void loop
Página 207
En la figura 6 se presenta un segmento de código el cual ocupamos para posicionar
nuestros servomotores de acuerdo a la secuencia de avance. En el apartado del void
loop se genera el código que deseamos ejecutar varias veces.
Proteus 7.9: Software en el que se realizó la simulación electrónica del funcionamiento
de los servomotores y el comportamiento del sensor QRD1114.
Posteriormente, una vez comprobado el funcionamiento de nuestro circuito
diseñado en este software, procedemos a realizar una PCB en un software vinculado a
Proteus 7.9, este software se llama ARES, es un software especial para el diseño de
tarjetas PCB y realizarla al modo y espacio que el usuario desee.
La placa que realizamos en este software (ARES) fue especialmente para las
conexiones de los servomotores y sensores que se utilizaron para el prototipo del
hexápodo.
Impresora 3D RAPMAN 3.2: Este equipo (figura 7) fue utilizado para la manufactura de
las piezas necesarias para el robot hexápodo, aquí el usuario puede modificar el
parámetro de temperatura del extrusor, el cual se encarga de fundir el material para dar
forma a la pieza, a su vez se pueden regular las revoluciones de operación para los
motores a pasos que se encargan de mover el extrusor. Esto es importante ya que
gracias a ello se logra una mejor resolución en la pieza a realizar.
Figura 9. Impresora 3D Rapman
Página 208
Material: Para el funcionamiento adecuado del robot fue necesario ocupar 12
servomotores HD-1711 (figura 8), que cumplen con las características y que resultan
los más adecuados para el proyecto, dado que gracias a estos nos fue posible realizar
la movilidad de las articulaciones, en otro caso si se hubiese utilizado motores de
corriente continua convencionales o motores paso a paso tendríamos distintos
problemas como el control de posición y velocidad, tales que se resuelven directamente
con un servomotor.
Figura 10. Servomotor HD-1711
La tarjeta arduino mega 2560 R3 (figura 9) cuenta con 12 salidas PWM necesarias para
el control de los servomotores, con esta podemos realizar las secuencias programadas
previamente para que el robot cumpliera el objetivo deseado.
Figura 11. Tarjeta Arduino Mega
La batería King-Max de 7.4V a 2.2A (figura 10) se encarga de alimentación de los
servomotores que a su vez son los encargados de la movilidad de dicho robot. La
batería de 9V es la encargada de la alimentación de la tarjeta arduino.
Página 209
Figura 12. Batería King-Max
Los sensores QRD-1114 (figura 11) fueron los encargados del censado de líneas de
color negro que fueron utilizadas en la aplicación de este robot, mediante estas líneas
se logró que el hexápodo pudiera dar una vuelta de 180º y así poder continuar con su
recorrido.
Figura 13. Sensor QRD1114
El regulador de voltaje LM-323 es necesario para proporcionar el voltaje correcto en la
alimentación de los servomotores.
Figura 14. Estructura completa del Robot
Página 210
3. Resultados
La ventaja de contar con una impresora 3D, nos ahorró tiempos de maquinado en la
estructura del hexápodo, pues una vez que se desarrolló el diseño en SolidWorks 2012
se trasladó al software de la impresora para procesarlo y maquinarlo con plástico ABS
3mm. La ventaja de utilizar SolidWorks es que no se requiere de realizar prototipos de
prueba para ver si el diseño cumple con los objetivos, por el contrario, con el programa
de SolidWorks, las pruebas se realizan en la misma plataforma del software una vez
que se ha realizado el ensamble y la simulación del diseño, si aquí no se perciben
errores de choques de colisión, se procede a maquinar las piezas.
Los resultados obtenidos después de haber terminado las etapas de diseño,
maquinado, ensamblado y programación del robot hexápodo, en este proyecto fueron
los siguientes:
1. Las partes del robot hexápodo construidas en la impresora 3D con material ABS,
mostraron gran resistencia tanto al impacto entre superficies (pista de carreras y
obstáculos físicos), como al soporte del peso de los componentes (servomotores,
baterías, disipador de calor, y tarjetas de control y potencia), pues no han mostrado
desgaste o fatiga del material, siendo esta una manera eficaz del desarrollo de
prototipos de este tipo sin errores en la parte de estructura.
2. La ventaja de utilizar servomotores como puntos de articulación, fue que el robot
hexápodo presentó movimientos más precisos.
3. La coordinación entre sus patas a la hora de avanzar mostraban perfecta sincronía
y rapidez, respondiendo de forma óptima a lo establecido en la programación.
4. Gracias al arreglo de la secuencia de los pasos de avance y giro, se logró prolongar
la carga de la batería, dando un promedio de 30 minutos de recorrido continuo
antes de requerir el siguiente cambio de batería.
Página 211
5. Con la plataforma de programación en Arduino, se logró optimizar el código de
programación gracias a sus librerías, teniendo variables de control ubicadas en
partes estratégicas del programa y así cuando se requería de modificar parte de la
secuencia, no era necesario modificar todo el programa, sino, solo el valor de las
variables de control.
6. La posición de los sensores fue la más correcta para la detección de la línea negra,
estas señales eran enviadas por los sensores a la tarjeta de Arduino Mega 2560 R3
y resultaron buenas para ejecutar la secuencia de giro.
7. El resultado final de nuestro prototipo fue un 2º y 3er lugar en el XV concurso
nacional y IV congreso de Minirobótica en la categoría de carrera de insectos.
4. Conclusiones
En base a los resultados obtenidos en el desarrollo del robot hexápodo, vimos la
oportunidad de manejarlo como robot educativo que pueda servir de apoyo en prácticas
de programación para materias afines al control, automatización y robótica, de tal forma
que no solo alumnos de ingeniería sean beneficiados con este robot, sino también
llevarlo a jóvenes que se encuentran en el nivel de educación media superior y
despertar en ellos el interés por las nuevas tecnologías que existen hoy en día, a través
del conocimiento de las partes de un robot y su programación, para ello se está
trabajando actualmente en el desarrollo de un par de interfaces hombre máquina, una
en donde por medio de una computadora el usuario modifique y cree secuencias de
movimiento y otra, una aplicación en sistema operativo Android para dispositivos
móviles, para que desde un teléfono inteligente o tableta el usuario tenga el control
sobre el robot hexápodo.
Página 212
Referencias
[1] García Higuera, Andrés (2005). EL CONTROL AUTOMÁTICO EN LA INDUSTRIA.
España: Ediciones de la Universidad de Castilla- Lam Mancha. 17.
[2] Gómez González, Sergio (2008). El gran libro de SolidWorks. México: Alfaomega,
Marcombo. 35.
[3] Torrente Artero, Óscar (2013). ARDUINO curso práctico de formación. México: RC
Libros. 64.
[4] Ollero Baturone, Aníbal (2001). ROBÓTICA Manipuladores y robots móviles.
España: Marcombo. 150.
Página 213
Mantenimiento Autónomo como estrategia para eficientar los
procesos productivos
1
Marcos Rodríguez Sánchez 2Jaime Cano Ramírez 3María de los Ángeles Salazar
Morales
1,2,3
Universidad Tecnológica del Suroeste de Guanajuato. Departamento de
Mantenimiento Industrial – Carretera Valle-Huanímaro km 1.2, Valle de Santiago,
Guanajuato, México. Código postal 38400. Tel 01 456 643 71 80 ext 103 ó 136
1
[email protected], [email protected] [email protected]
Resumen
Este proyecto presenta el impacto del mantenimiento autónomo aplicado a equipos
donde el operador juega un papel fundamental en la conservación de los mismos. Aquí
se demuestra cómo la implementación del mantenimiento autónomo en un sistema de
ensamble puede eficientar el proceso productivo; para ello se construyó un prototipo de
sistema de ensamble. En dicho prototipo se obtiene una pieza que consiste en dos
placas remachadas; se enlistan las partes del sistema de ensamble y se analizan para
determinar sus puntos críticos y las actividades de mantenimiento que se le realizarán.
Derivado de la aplicación del mantenimiento autónomo, realizado por los
operarios al sistema de ensamble, se determinó que el proceso productivo tuvo una
mejora sustancial al reducir el desperdicio y eficientar los tiempos de operación,
mejorando hasta en un 85% la eficiencia del sistema.
Palabras claves
Mantenimiento Autónomo, operarios, sistemas, eficiencia
Página 214
1. Introducción.
Desde hace tiempo las empresas, han concentrado sus esfuerzos en el aumento de su
capacidad de producción mediante la optimización de sus sistemas productivos, los
cuales están evolucionando cada vez más hacia la mejora de su eficiencia, que lleva a
los mismos a la máxima producción con el mínimo empleo de recursos cada vez, los
cuales serán, pues, utilizados de forma eficiente, es decir, sin desperdicios.
Todo ello ha originado la continua aparición de nuevos sistemas de gestión que
con sus técnicas, han permitido una eficiencia progresiva de los sistemas productivos, y
que han culminado precisamente con la incorporación de la gestión de los equipos y
medios de producción orientada a la obtención de la máxima eficiencia a través de
nuevas y mejores formas de mantenimiento, como es el caso del mantenimiento
autónomo.
Los nuevos sistemas de gestión han venido a cambiar paradigmas en las formas
de trabajo de los diferentes departamentos de una empresa, como es el caso del
departamento de producción y mantenimiento, donde anteriormente se pensaba que la
responsabilidad de producción y del mantenimiento eran dos actividades separadas y
se veían a parte cada una; ahora la nueva mentalidad es que tanto el departamento de
mantenimiento como el de producción son interdependientes, sus responsabilidades
dependen uno del otro. Bajo ese esquema surge el Mantenimiento Productivo Total
(TPM), con él uno de sus pilares principales que es el Mantenimiento Autónomo, el cual
es la materia de nuestro estudio.
El mantenimiento autónomo consiste en que cada operario es responsable del
mantenimiento básico, como limpieza, lubricación, ajuste ó cualquier actividad que
dentro de sus competencias pueda ejecutar, para mantener en óptimas condiciones su
equipo ó maquinaria, de manera que pueda lograr eficientar los sistemas productivos de
la empresa.
Página 215
2. Desarrollo
La metodología que se empleó en dicho proyecto consiste en los siguientes puntos los
cuales se describirán a continuación mostrando paso a paso cada una de las
actividades realizadas durante el transcurso de este:
Desarrollo de prototipo para ensamble de placas. Aquí se realizó un prototipo
sencillo de una ensambladora de placas de metal, alimentada principalmente por aire
comprimido, la cual consiste en un plato giratorio donde llegan dos placas de metal las
cuales son ensambladas por una remachadora de una cara o pieza plana,
posteriormente pasan por un detector, el cual censa la separación milimétrica de las
placas de metal determinando si están bien ensambladas, si esta separación no rebasa
a la ya determinada por seteo, está bien remachada, si no lo está será rechazada al
desperdicio; enseguida pasan a otro plato donde las placas de acero son puestas en un
pequeño protector de plástico para ser empacadas. Este prototipo fue diseñado para
analizar los componentes de una ensambladora, así como también para implementar el
mantenimiento autónomo y evaluar su impacto real, llevarlo más allá de lo teóricamente
ideal.
Aplicación del mantenimiento autónomo. En esta etapa se aplicó el
mantenimiento autónomo al prototipo de la ensambladora, para ello se tuvieron que
desarrollar habilidades de detección de deterioros por parte de los operadores en los
componentes del prototipo, así como el conocimiento de la lubricación correcta de los
componentes, además de su concientización sobre el impacto real que tiene dicho
mantenimiento en los equipos. Antes del establecimiento del mantenimiento autónomo
se tenían las siguientes condiciones:
•
70% de rendimiento de la máquina, tomando en cuenta las piezas por
día con respecto a las piezas que de manera ideal se debería de
producir
•
Hasta 100 piezas de desperdicio por semana, lo cual repercute en el
gasto en materiales.
Página 216
•
Averías comunes máximas 3 a la semana las cuales provocan gastos
por reparaciones.
•
Operadores con un bajo conocimiento desarrollado en práctica de
mantenimiento autónomo.
•
Paros del prototipo de maquina excesivos, provocados principalmente
por anormalidades en las partes más críticas del prototipo
•
Al producirse los desperdicios estos repercuten en la calidad de las
placas ensambladas.
Estas condiciones anteriores fueron de gran importancia ya que permitieron
evaluar y determinar su control tomando en cuenta cada uno de los componentes y
fallas que tiene el prototipo, las cuales fueron fundamentales para el establecimiento de
los siguientes aspectos:
Planteamiento de metas. Las metas que se plantearon fueron las siguientes:
•
Lograr el 85% de eficiencia en el prototipo. No se considera el 100% para evitar
la desatención del proyecto por estados ideales frustrados.
•
No provocar pérdidas; tanto de materiales como de tiempo, y demás aspectos
que incluyen gastos económicos y humanos los cuales como ya se sabe
repercuten en los costos del proceso.
•
Disminuir los desperdicios provocadas por el prototipo; en esta meta se refiere a
los desperdicios de materiales, de tiempo, refacciones, etcétera, que se
producen cada vez que la maquina presenta daños ó averías.
•
Elevar las habilidades de los operadores para el manejo del equipo, así como
para el desarrollo del mantenimiento autónomo.
•
Poner en práctica lo antes expuesto, para comprobar su efectividad de manera
que pueda ser una base para máquinas y/o prototipos futuros.
Página 217
Inventario y registro de elementos del prototipo. En esta parte, se registró a
manera de lista cada una de las partes del prototipo, desde las partes más
insignificantes hasta las más fundamentales para el funcionamiento del este prototipo,
este registro sirvió para posteriores puntos de la misma implementación del
mantenimiento.
Retroalimentación de lista de partes del prototipo. Aquí se retroalimentó la
información sobre las partes del equipo por medio de lecciones de un solo punto
conforme al paso del tiempo, las cuales fueron desarrolladas por los operarios.
Desarrollo de un sistema tentativo de limpieza, inspección y lubricación.
Los operadores de dicho prototipo desarrollaron un sistema tentativo de limpieza,
lubricación e inspección de los elementos en el equipo, el cual se fijó conforme a las
bases que tenemos, o sea, a las fallas más comunes del prototipo durante su
operación.
Elaboración de análisis de riesgo potencial. Los operadores del prototipo y
todo el personal que realizaron actividades de mantenimiento en el mismo, visualizaron
los riesgos a los que estuvieron expuestos durante la actividad y determinaron el equipo
de protección personal a utilizar, y las contramedidas y medidas de seguridad que se
llevaron a cabo.
Implementación del paso 1 de mantenimiento autónomo (limpieza inicial).
En este paso el personal responsable del prototipo trabajo sobre la limpieza de cada
uno de los componentes de éste, con el fin de quitar suciedad, polvo, sobre lubricación,
oxido y demás sustancias ajenas al sistema. También se buscaron anormalidades
presentes en los elementos del prototipo, las cuales fueron remediadas la mayor parte
de ellas en cuanto se encontraron. A éstas anormalidades se les dio un seguimiento
que consistió en lo siguiente:
•
Registro de anormalidades en la lista y en gráfica de anormalidades
diarias, esta última es acumulable durante un mes.
Página 218
•
Registro de fecha de hallazgo.
•
Determinación y registro de la acción correctiva a aplicar.
•
Registro de su solución o de su seguimiento posterior.
•
Su seguimiento fue según las posibilidades del operador.
Seguimiento de anormalidades de difícil acceso y de fuentes de
contaminación. Las anormalidades que implican un riesgo mayor por el lugar en que
se encuentran ubicadas para el personal se les conoce como áreas de difícil acceso, y
aquellas que por lo regular consisten en lubricación, limpieza de polvo o rebaba
frecuente se le conoce como fuente de contaminación, que no es precisamente la
sustancia o material la que lo provoca, sino más bien tiene un origen en algún
forzamiento o rotura de piezas y que aún no se ha identificado. Es por eso que éste tipo
de anormalidades son sometidas a análisis más profundos y revisiones ya que son
difíciles de encontrar a simple vista y por tanto no conocer su origen.
Elaboración de gráficos de control. Durante la implementación del mantenimiento
autónomo, la operación de la máquina, la detección de anormalidades, así como el
cierre de estas y el seguimiento a las áreas de oportunidad del prototipo se realizó un
registro diario que contiene la siguiente información:
•
Tiempo muerto planeado: cuando se desarrolla algún mantenimiento,
cierre de anormalidades, etcétera que ya había sido programado se
toma en cuenta como tal para su posterior registro.
•
Tiempo muerto no planeado: se refiere a la suma del tiempo que se
perdió en cada paro, averías, etcétera que tuvo el prototipo durante la
operación.
•
Anormalidades y de averías: como su nombre lo indica solo se fue
registrando el número de anormalidades encontradas y solucionadas;
así como de las averías que sucedieron durante el mes.
•
Número de paros: como su nombre lo indica solo se registran los paros
obtenidos durante la operación del prototipo.
Página 219
•
Número de piezas de desperdicio: en este grafico se van anotando día a
día la cantidad de piezas de mala calidad que se fueron al desperdicio.
3. Resultados
Derivado de la implementación del mantenimiento autónomo se lograron resultados
satisfactorios gracias a que se siguió al pie de la letra cada una de las actividades
establecidas en la implementación, lo cual repercutió de manera positiva en el prototipo
diseñado.
•
Se logró el 85% de eficiencia en el prototipo.
•
Se disminuyeron las pérdidas de tiempo, dinero, materiales etc. elevando así el
rendimiento y calidad del producto.
•
Se mejoraron las habilidades de operación del equipo en los operadores.
•
Se puso día a día y paso a paso en práctica la teoría de la mejora continua y el
mantenimiento autónomo, logrando un hábito de trabajo satisfactorio.
A continuación se darán a conocer los gráficos que demuestran el impacto tan
benéfico que tiene el mantenimiento autónomo en un prototipo de ensamble.
En la siguiente figura se muestra la gráfica donde se ven los resultados que se
derivaron del trabajo de mantenimiento, los cuales reflejan las anormalidades
encontradas y las cerradas y como fueron disminuyendo.
30
Anormalidades
25
Anormalidades
encontradas
20
15
Anormalidades
cerradas
10
5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Días del mes
Fig 1. Gráfica de anormalidades
Página 220
En la figura siguiente se presenta la gráfica de paros inesperados, los cuales
como se puede notar fueron decreciendo hasta permanecer en un número más
apropiado y confiable.
80
Paros inesperados
60
40
Paros
20
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Fig 2. Gráfica de paros
La gráfica de la siguiente figura 3 presenta los resultados obtenidos respecto al
número de averías que se suscitaron durante el mes de operación, los cuales
demuestran claramente la disminución de estas.
2.5
2
Averías
1.5
Averias
1
0.5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Días del mes
Fig 3. Gráfica de averías
Página 221
En la siguiente figura 4 se ve la grafica que demuestra claramente la disminución
y enseguida el control del tiempo que se está perdiendo así como su constante
disminución.
100
minutos
tiempo muerto no
planeado (minutos)
80
60
40
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324252627282930
Fig 4 Gráfico de tiempos muertos no planeados
La figura 5 presenta la grafica donde se ve el tiempo muerto que si fue planeado,
esto quiere decir el tiempo que se invirtió en hacer mantenimiento programado y el
estándar de lubricación, inspección y limpieza que diariamente se fue desarrollando, en
esta grafica los puntos altos que se presentan son debido al cambio de componentes
que se hacen en el mantenimiento programado
30
tiempo muerto
planeado (minutos)
25
minutos
20
15
10
5
0
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
Días del mes
Fig 5 Gráfico de tiempo muerto planeado
Página 222
4. Conclusiones
Como ya lo habíamos mencionado el fin de este proyecto fue el de demostrar el
impacto que tiene la implementación oportuna y efectiva del mantenimiento autónomo
en los sistemas productivos; los resultados obtenidos derivados de la implementación
fueron satisfactorios como se puede visualizar en los gráficos; lo que nos lleva a
concluir que efectivamente el mantenimiento autónomo como estrategia para eficientar
los procesos, si es funcional. Este sistema de mantenimiento debe ser aplicado de una
manera estricta para obtener resultados favorables, de igual manera es importante la
participación proactiva y positiva de los operadores y demás encargados del equipo y/o
sistema que se esté tratando. El mantenimiento autónomo ya es para nosotros una
herramienta básica y útil que nos permite aprovechar al máximo los recursos tanto
humanos como materiales y equipos, eficientando de manera integral nuestros
procesos.
Referencias
 Suzuki, T. (1996). TPM en industrias de proceso. Productivity Press. Portland,
Oregon.
 Dounce V. E. (2006) La productividad en el mantenimiento industrial. Editorial
CECSA. México.
 Nakajima S. (2010). Introduction to TPM: total productive maintenance.
Productivity Press. University of Minnesota.
 Arbós Ll. (2000). TPM: hacia la competitividad a través de la eficiencia de los
equipos de producción. Editorial Gestión 2000.
 Robert C.R. (2005). Manual de mantenimiento industrial. Mc Graw Hill. México.
Página 223
Control y Monitoreo de Giro de Motor a Pasos con Acelerómetro DEACCM2G a través de Instrumentación Virtual
1
Gabriel Lizárraga Velarde 2José T. Rolon 3Joel Jasso Morales
1,2,3
Universidad Tecnológica de Tijuana – Carretera Libre Tijuana-Tecate Km 10 S/N, El
Refugio Quintas Campestre, Tijuana Baja California, C.P 22253. México
1
[email protected]; [email protected];
3
[email protected]
Resumen
Actualmente en el ámbito industrial existe una gran necesidad de tener el control y
monitorear en todo momento los procesos de manufactura, detectar averías con
facilidad evitando así la cantidad de tiempos muertos y altos costos por mantenimiento,
garantizando finalmente una mejora en la calidad de sus productos. Una de las
disciplinas o herramientas que ha venido a dar estos resultados es la automatización y
visualización de procesos. El presente trabajo es un claro ejemplo de lo que se puede
llevar a cabo y los resultados que pueden ser obtenidos por su implementación en
cualquier área de oportunidad, llámese robótica, automatización de procesos, control,
etc. Dicho trabajo consiste en controlar y monitorear el giro de un motor a pasos
utilizando LabView® y acelerómetros.
Palabras claves
Acelerómetro, LabView, Motor a pasos.
1. Introducción
En la actualidad, la necesidad de aumentar la productividad y conseguir productos
acabados de una calidad uniforme se está volviendo cada vez más exigente. Debido a
esto la industria está dando un giro a una automatización basada en computador.
Actualmente existen una gran variedad de herramientas tanto para el control como para
la visualización de los procesos, por lo que ahora es posible disponer de una
herramienta que se adecue a las necesidades de la producción industrial. Es usual que
Página 224
en muchos países tecnológicamente desarrollados se puedan encontrar que en la
mayoría de las grandes fábricas se encuentran automatizadas, poseen elementos de
control centralizados, así como también tienen una ayuda visual y animada que permita
y facilite las actividades de los operadores, obteniendo finalmente la garantía de un
producto con mejor calidad y una red de información accesible en todos los niveles
(Valencia, 1998). Es importante mencionar que todo esto puede ser logrado por tres
puntos primordiales, el primero es contar con el hardware adecuado que cubra las
necesidades que la aplicación requiere, un computador que posea las especificaciones
adecuadas, una tarjeta de adquisición de datos que sea rápida, capaz de procesar los
datos en tiempo real, que cuente con los puertos de comunicación, y que el tamaño
permita su movilidad; el segundo punto primordial será contar con un software
especializado que permita la programación de una HMI (interfaz hombre maquina)
amigable, que pueda entregar la mayor cantidad de información que sea posible para
que el operador pueda tomar decisiones importantes dentro de su proceso; finalmente
que tanto hardware y software sean compatibles en un 100%, lo que permita esa
garantía de un producto con calidad como anteriormente se menciona. El presente
trabajo consiste en el desarrollo de una HMI para el control y monitoreo de un motor a
pasos en LabView utilizando el acelerómetro DE-ACCM2G para el control de giro.
2. Desarrollo
El presente trabajo está compuesto por 2 etapas, la primera es la parte de software, es
decir el diseño y desarrollo de la HMI que permitirá el control y el monitoreo del
comportamiento tanto del motor a pasos así como también la información que será
recibida por el acelerómetro; la segunda etapa consiste en el hardware, que es
básicamente el diseño de circuito de control para el giro del motor, una breve
descripción de la tarjeta de adquisición de datos que permitirá enviar la información al
computador. A continuación se presenta un diagrama a bloques del proceso completo
(ver Figura 1).
Página 225
Figura 1. Diagrama a bloques del control y monitoreo del motor a pasos
• Software.
Labview, es un entorno de programación gráfica que permite desarrollar
sistemas sofisticados de medida, pruebas y control usando iconos gráficos e
intuitivos y cables que parecen un diagrama de flujo (Johnson, 2006) (Bishop.,
2009). La pantalla principal de Labview contiene 2 paneles, del lado izquierdo el
panel de control y del lado derecho diagrama de bloques en donde se lleva a
cabo la mayor parte de programación (ver Figura 2.).
Página 226
Figura 2 Pantalla principal de Labview.
El diseño y desarrollo del HMI consiste en visualizar los niveles de voltajes
obtenidos por el acelerómetro que se encuentra conectado a una tarjeta de adquisición
de datos USB DAQ 6008 de National Instruments, que ya ha sido debidamente
configurada por el usuario. Además el HMI permitirá visualizar de forma concreta el
sentido de giro del motor a pasos, así como también controlar la frecuencia para la
adquisición de los datos por el DAQ (ver Figura. 3).
Página 227
Figura 3 Diseño del HMI para el control y monitoreo (panel frontal).
El diagrama a bloques está compuesto básicamente por estructuras tipo “Case
Structure” que son funciones condicionadas a términos booleanos. Inicialmente se
condiciona la información enviada por el acelerómetro a ciertos rangos de valores para
los dos ejes, posteriormente si estos valores obtenidos cumplen o se encuentran dentro
del rango establecido enviará un valor lógico alto “1” y este determinará el sentido de
movimiento del motor a pasos, en otro caso simplemente no ocurre nada o envía un
valor lógico bajo “0” (ver Figura 4).
Una vez que realiza las comparaciones anteriores se envía la información en
forma digital al DAQ para realizar el control del motor a pasos.
Página 228
.
Figura 4. Diseño del HMI para el control y monitoreo (diagrama a bloques).
•
Hardware.
En esta segunda etapa son 3 elementos que permiten el desarrollo del hardware de
este trabajo,
el primer elemento es el acelerómetro que permite la obtención de
información para que sea procesada por una interfaz de comunicación analógica/digital
conectada al computador y finalmente el punto primordial, el motor a pasos. El
acelerómetro es un dispositivo que mide la aceleración. Su mayor auge en la actualidad
es que son utilizados en la telefonía para detectar el ángulo de giro del terminal y poder
controlar así funciones del teléfono móvil (Maloney, 2006) (Fernandez). El dispositivo a
utilizar es el acelerómetro DE-ACCM2G, este es un acelerómetro en dos ejes X, Y.
Permite una alimentación de voltaje de 3 a 5 Volts en corriente directa, y su salida
depende en la posición que este se encuentre (ver Figura. 5).
Figura 5. Acelerómetro DE-ACCM2G.
Página 229
La tarjeta de adquisición de datos, mejor conocida como DAQ, es un dispositivo
de National Instruments que permite la comunicación analógica/digital con el
computador, en este caso la utilizada es una NI USB-6008 (ver Figura.6), un dispositivo
que brinda funcionalidad de adquisición de datos básica para aplicaciones como
registro
de
datos
simple,
medidas
portátiles
y
experimentos
académicos
(Especificaciones Tecnicas de NI USB-6008).
Figura 6. NI-USB-6008
El motor a pasos utilizado es el M49SP-2K, un motor 7.5° por paso, con una
alimentación en un rango de 5-24 Volts de corriente directa, de tipo bidireccional.
Comúnmente utilizado en impresoras, máquinas copiadoras y dispositivos que
requieren de una mayor precisión en su aplicación.
Finalmente el sistema de hardware obtenido es la unión de cada uno de los
elementos, es decir, el acelerómetro conectado al DAQ a través de un canal de señal
analógica, el cual enviará la información en forma digital para que esta sea procesada
por el HMI y tome la decisión de forma automática sobre el sentido de giro, información
que será enviada nuevamente a través del DAQ a un circuito de control conformado por
un 74LS04 (NOT), con salidas a relays y posteriormente al motor a pasos para efectuar
el movimiento según el sentido que haya determinado el computador. (Ver Figura 7).
Página 230
Figura 7. Sistema de hardware para el control y monitoreo.
3. Resultados
Inicialmente se realizaron pruebas con el acelerómetro ya que es necesario medir los
voltajes obtenidos en ambos ejes del mismo. Debido a lo mencionado anteriormente los
voltajes a obtener deberán tomarse en cuenta dependiendo en la posición en la que se
encuentre. Los voltajes obtenidos por la tarjeta de adquisición de datos y un voltímetro
son los siguientes (ver Tabla 1).
Posición
Instrumento
Dato Técnico
x=1.08
y=1.50
x=-0.4
y=0.27v
x=0.97
y=1.64
LabView
Osciloscopio
x=1.92
y=1.50
x=0.93
y=0.25
x=2.3
y=1.6
x=1.5
y=1.92
x=0.3
y=0.93
x=1.65
y=2.2
x=1.5
y=1.08
x=0.23
y=-0.4
x=1.5
y=0.98
Tabla 1. Resultados obtenidos al medir la salida del acelerómetro
Posteriormente al realizar las pruebas del monitoreo y control del motor a pasos, se
obtuvo lo siguiente:
1) Al dar posición al acelerómetro hacia la derecha (ver Figura 8), rápidamente se
detectaron los voltajes y el HMI dio como resultado que el motor se encontraba
en sentido de las manecillas (ver Figura 9).
Página 231
Figura 8. Posición del acelerómetro hacia el lado derecho.
Figura 9. Indicación del sentido de movimiento del motor a pasos (derecha).
4. Conclusiones
Se ha observado que en el presente trabajo, aunque se obtuvieron resultados muy
favorables, es preciso decir que mediante la utilización de dispositivos más sofisticados
se pueden mejorar en mayor cantidad las respuestas obtenidas en tiempos de
adquisición datos, trasmisión de los mismos y finalmente la respuesta del control del
motor a pasos. Cada día aumenta la cantidad de elementos de software y hardware en
el mercado, situación que nos obliga a estar en actualización en todo momento. Este
trabajo es un claro ejemplo de lo que permiten realizar software especializados para la
Página 232
visualización de procesos que permitan la toma de decisiones en momentos críticos
para la industria. El uso del acelerómetro actualmente abre camino hacia el mundo de
la robótica a través de las comunicaciones inalámbricas. Cómo trabajo a futuro se tiene
el control de robots móviles a través de acelerómetros indicando vía inalámbrica la
dirección hacia donde estos tienen que dirigirse.
Referencias
Bishop., R. (2009). Learning with labview 2009. Prentice Hall.
Especificaciones
Tecnicas
de
NI
USB-6008.
(s.f.).
Obtenido
de
www.ni.com/pdf/manuals/3713031.pdf
Fernandez, M. (s.f.). Tecnicas para el mantenimiento y diagnostico de maquinas
electricas rotativas. Marcombo.
Johnson, G. (2006). Labview Graphical Programming. McGraw- Hill.
Maloney, T. J. (2006). Electronica Industrial Moderna. Pearson Educacion .
Valencia, J. L. (1998). Herramientas para el control y visualizacion de procesos
industriales:PLC,HMI y una Aplicacion. Guatemala.
Página 233
Desarrollo de un robot-soccer controlado mediante interfaz de
conexión bluetooth con dispositivos Android
Olivo Flores Marco Antonio1, Trejo Osornio Daniel2, Valerio García Ezequiel3
1, 2,3
Universidad Tecnológica de San Juan del Rio – Av. La Palma No. 125 Col. Vista
Hermosa, San Juan del Rio, Querétaro, cp. 76800 México
1
[email protected],mx, 2 [email protected]
3
[email protected]
Resumen
El presente artículo tiene la finalidad de explicar el desarrollo de un robot-soccer, desde
los principios de la estructura hasta la parte de programación, en este proyecto se
utilizaron diferentes herramientas que involucran el desarrollo de distintos prototipos de
automatización y control.
El objetivo de este proyecto consta de la elaboración de un robot que sea capaz
de mover y controlar una pelota siguiendo las reglas de un partido de foot-ball,
cumpliendo con ciertos parámetros como son tamaño del robot e interfaz de conexión.
El funcionamiento del robo-soccer está basado en su movimiento mediante dos ruedas
y un servomotor que impulse la pelota. El control de este robot será a través de un
dispositivo Android ya sea teléfono móvil o Tablet, con una interfaz de conexión
Bluetooth.
A lo largo del artículo se explicara detalladamente la construcción de las partes
que componen el robot.
Palabras claves
Robot-Soccer, Plataforma de diseño, microcontrolador, bluetooth.
1. Introducción
Hoy en día la gran demanda que existe a nivel mundial por la tecnología, ha avanzado
exponencialmente para un mejor desarrollo en sus diferentes ramas, que han sido de
gran ayuda en distintas aplicaciones.
Página 234
Con este artículo se pretende que tanto investigadores como alumnos de las distintas
universidades, se vean interesados en modelos robóticos conocidos para la innovación
y mejora de modelos ya existentes.
Cabe mencionar que la robótica tiene como objetivo desarrollar robots que realicen
funciones y movimientos autónomos a semejanza del ser humano, esta vez se planea
desarrollar un robot-soccer que mueva y controle una pelota similarmente a un jugador
de futbol, con la finalidad de incluir una categoría más en el XVI Concurso Nacional y V
Congreso de Minirobótica.
Posteriormente mencionaremos la construcción de cada una de las partes que
componen al robot-soccer, desde su diseño y pasando por las diferentes etapas hasta
llegar a su parte física terminada.
2. Desarrollo
Respecto al robot-soccer se emplearon diferentes herramientas, equipos y materiales
para realizar su fabricación y control como se muestran en la Tabla 1.
Software y Equipo *
SolidWorks 2012
Axon 2
Proteus 7.9
* Impresora 3D Rapman 3.2
Ares
Material
Modulo Bluetooth HC06
Servomotor Tower Pro 90
Batería 9V 200mA
Plástico ABS 3mm
PIC 16F886
Regulador de voltaje 7805
Regulador de voltaje 78L33
Puente H L293D
Tabla 1. Elementos necesarios para la fabricación.
Desarrollo del diseño: Para esta etapa utilizamos el software de diseño
SolidWorks 2012 el cual tiene una interfaz de usuario amigable y en algunas de sus
herramientas se pueden observar ciertos parámetros como los cuales pueden ser:
Puntos de colisión, propiedades de los materiales, resistencia de materiales, colores,
Página 235
medidas, simulaciones, ensambles como se muestra en la (figura 1), etc. Y gracias a
estos se puede facilitar tanto el diseño como la simulación de las partes que componen
el robot-soccer como se muestra en la (figura 2).
Figura 15 Ensamble de SolidWorks
Figura 16 Base del Robot
Axon 2: Este software permite compilar los archivos .STL del programa
SolidWorks 2012, convirtiéndolos en archivos .BFB (mapa de bits) debido a que la
impresora 3D RAPMAN3.2 solo permite archivos de este formato. Dentro de este
programa se realizan los ajustes necesarios para la impresión tales como: tipo de
impresora, número de cabezales, tipo de material, resolución requerida y el tejido de la
impresión; como se muestra en la figura 3.
Página 236
Figura 17 Pieza tapa superior y parámetros Axon 2
Con este programa podemos saber el tiempo aproximado que tarda en imprimir
la pieza.
Impresora 3D RAPMAN 3.2: Este equipo (figura 4) fue utilizado para la manufactura de
las piezas necesarias para el robot hexápodo, aquí el usuario puede modificar el
parámetro de temperatura del extrusor, el cual se encarga de fundir el material para dar
forma a la pieza, a su vez se pueden regular las revoluciones de operación para los
motores a pasos que se encargan de mover el extrusor. Esto es importante ya que
gracias a ello se logra una mejor resolución en la pieza a realizar.
Figura 18 Impresora 3D Rapman
Página 237
3. Diseño:
En este capítulo se describen a continuación conceptos utilizados y las herramientas
usadas para realizar nuestro prototipo del robot-soccer.
3.1 Etapa Electrónica
En este punto se redacta el trabajo electrónico que se realizó para el control de nuestro
prototipo, desde la simulación del comportamiento del circuito mediante un software,
hasta la etapa de elaboración de la tarjeta PCB que será montada en nuestro
robot-soccer.
3.1.1 Proteus 7.9
En este software procedemos
a realizar la simulación del circuito para ver el
funcionamiento y detectar posibles errores sin necesidad de realizarlo físicamente y
hacer los cambios necesarios hasta lograr el mejor diseño del mismo (Figura 5).
Figura 19 Simulación del circuito en Proteus 7.9
Página 238
3.1.2 Ares
Este es un software vinculado a Proteus 7.9 y es el software en el que
desarrollamos la tarjeta PCB con referencia al modelo que realizamos en Proteus.
Figura 20 Diseño de tarjeta PCB en Ares
3.2 Diseño de mecanismo
El diseño de los mecanismos y estructuras que conforman este robot ha sido diseñado
mediante SolidWorks, basándose en un bosquejo inicial en el cual se contemplaron las
partes que conformarían dicho robot (Figura 7).
Figura 7 Diseño de Estructura
Las piezas se imprimieron mediante una impresora 3D y se les dio un acabado con
pintura y sellador para aumentar su resistencia.
En la figura 8 se muestran las piezas que se imprimieron en la impresora 3D.
Página 239
Figura 8 Base, tapa de circuito, impulsor de balón,
Soporte de pilas, tapa de mecanismos
3.2.1 Ensamble
El ensamble comienza con una base en la cual se montaron los motores que
impulsarían las llantas para moverse. En la parte inferior de la base se colocó una
pequeña rueda loca con el fin de tener mayor movilidad para el robot. Sobre la misma
base se montó un servomotor el cual serviría de impulsor para el balón, y a su vez se
diseñó una tapa para cubrir estas partes mecánicas. El impulsor fue montado en la
parte frontal del robot y se mueve mediante pernos que corren sobre dos rieles.
El impulsor tiene forma de una semiesfera con la finalidad de adoptar la forma del balón
y así poder dirigirlo con mayor facilidad.
Sobre la primera tapa se han colocado las pilas y el circuito controlador, después se
diseñó un caparazón para cubrir el circuito y las pilas, quedando como lo muestra la
(Figura 9, Figura 10).
Página 240
Figura 9 Ensamble de la Estructura
Figura 10 Ensamble final rotulado
3.3 Interfaz de control para el robot-soccer
En la actualidad el uso de los microcontroladores en aplicaciones de electrónica digital y
analógica sea popularizado por la integración cada vez mayor de periféricos, así como
el incremento en la capacidad de memoria de datos en este sentido el PIC16F886
puede considerarse como la mejor alternativa a la hora de seleccionar un
microcontrolador debido a sus altas prestaciones y el precio reducido, si se le compara
con algunos otros PIC’s ya conocidos.
Página 241
SOFTWARE:
1. microCTM PRO for PIC es un ambiente integrado de desarrollo en lenguaje C,
que se puede descargar de la página de fabricante, la versión gratuita de
microCTM es completamente funcional ya que contiene todas las librerías
necesarias para la programación de microcontroladores.
2. MASTER PROG software de grabación de Pic’s probado por numerosos
programadores.
3. ISIS de PROTEUS, software de simulación para los microcontroladores y
circuitos electrónicos.
4. APP INVENTOR, software para la creación de aplicaciones con sistema
operativo android
HARDWARE:
•
•
Microcontrolador PIC16F886, dispositivo electrónico controlador del sistema.
Grabador MASTERPOG, dispositivo electrónico grabador de
microcontroladores.
• Bluetooth HC-06 dispositivo electrónico de interfaz de comunicación.
• Tarjetas de poncia dispositivos electrónicos interconectador dedicados el
control de los motores.
1. microCTM PRO for PIC
La plataforma de desarrollo de alto nivel que ofrece microC ayuda a la generación de
códigos de tipo (.hex) con este archivo se podrá compilar y pasarlo al microcontrolador.
2. MASTER PROG
Con este dispositivo comercial es posible grabar el programa en los microcontroladores
gracias a esta herramienta podemos borrar y volver a grabar muchas veces el código
de programación.
3. APP INVENTOR
App Inventor de Google
Se utiliza la aplicación de Google App Inventor para hacer la aplicación en Android que
se utilizará para el control de los robot-soccer vía bluetooth. A continuación se describe
aplicación App Inventor y el programa que se realizó para el control de los carritos
futboleros.
Página 242
Ventana de Diseño:
Se trata de la ventana del diseñador en la que se construye, mediante el ratón, sin
necesidad de usar ningún lenguaje de programación, todo el interfaz gráfico que va a
tener la aplicación. En ella se han marcado con números cada una de sus partes
principales:
1.
La paleta contiene todos los elementos que podemos insertar en nuestra
aplicación. Hay elementos gráficos como cuadros de texto, botones, lienzo de dibujo
(Canvas) y elementos que no se ven en la pantalla del móvil, como base de datos
(TinyDB), acelerómetro, cámara de vídeo, etc.
2.
Viewer: El visor de la pantalla, simula la apariencia visual que tendrá la aplicación
en el móvil. Para añadir un elemento a la pantalla hay que arrastrarlo desde la paleta y
soltarlo en el visor. Los elementos que no tengan visibilidad hay que arrastrarlos
también al viewer y automáticamente se desplazarán debajo de él bajo el epígrafe
“Non-visible components”
3.
Components muestra la lista de los componentes que se han colocado en el
proyecto. Cualquier componente que haya sido arrastrado y soltado desde la paleta al
visor aparecerá ahí. Si se quiere borrar alguno es en la lista de componentes donde
está el botón que permite borrarlo.
4.
Media muestra las distintas imágenes y sonidos que estarán disponibles para el
proyecto. Cualquier archivo de imagen o audio que se quiera usar en la aplicación hay
que insertarlo usando este apartado para que esté disponible.
5.
Properties: cada vez que en el Viewer se seleccione un componente, en
Properties aparecerán todos los detalles que se puedan cambiar de ese componente.
Por ejemplo, al hacer clic sobre un componente TextBox se podrá cambiar en
Properties su color, texto, fuente, etc. Para aquellos que hayan usado antes entornos
de desarrollo del tipo de Visual Studio en Windows o Gambas en Linux le será muy
familiar esta forma de trabajar.
Página 243
4. Resultados
La ventaja de contar con una impresora 3D, nos ahorró tiempos de maquinado en la
estructura del robot-soccer, pues una vez que se desarrolló el diseño en SolidWorks
2012 se trasladó al software de la impresora para procesarlo y maquinarlo con plástico
ABS 3mm. La ventaja de utilizar SolidWorks es que no se requiere de realizar prototipos
de prueba para ver si el diseño cumple con los objetivos, por el contrario, con el
programa de SolidWorks, las pruebas se realizan en la misma plataforma del software
una vez que se ha realizado el ensamble y la simulación del diseño, si aquí no se
perciben errores de choques de colisión, se procede a maquinar las piezas.
Los resultados obtenidos después de haber terminado las etapas de diseño,
maquinado, ensamblado y programación del robot-soccer, en este proyecto fueron los
siguientes:
8. Las partes del robot-soccer construidas en la impresora 3D con material ABS,
mostraron gran resistencia tanto al impacto entre superficies (cancha y obstáculos
físicos), como al soporte del peso de los componentes, pues no han mostrado
desgaste o fatiga del material, siendo esta una manera eficaz del desarrollo de
prototipos de este tipo sin errores en la parte de estructura.
9. La coordinación entre sus ruedas a la hora de avanzar mostraban perfecta
sincronía y rapidez, respondiendo de forma óptima a lo establecido en la
programación.
10. Gracias al arreglo de la secuencia de los pasos de avance y giro, se logró prolongar
la carga de la batería, dando un promedio de 30 minutos de recorrido continuo
antes de requerir el siguiente cambio de batería.
11. Con la plataforma de programación en Micro C, se logró optimizar el código de
programación gracias a sus librerías, teniendo variables de control ubicadas en
partes estratégicas del programa y así cuando se requería de modificar parte de la
Página 244
secuencia, no era necesario modificar todo el programa, sino, solo el valor de las
variables de control.
12. El resultado final de nuestro prototipo fue una grata aceptación por parte del jurado
en el XV Concurso Nacional y IV Congreso de Minirobótica en la categoría de
exhibición.
4. Conclusiones
En base a los resultados obtenidos en el desarrollo del robot-soccer, vimos la
oportunidad de manejarlo como robot educativo que pueda servir de apoyo en prácticas
de programación para materias afines al control, automatización y robótica, de tal forma
que no solo alumnos de ingeniería sean beneficiados con este robot, sino también
llevarlo a jóvenes que se encuentran en el nivel de educación media superior y
despertar en ellos el interés por las nuevas tecnologías que existen hoy en día, a través
del conocimiento de las partes de un robot y su programación, para ello se está
trabajando actualmente en el desarrollo de un par de interfaces hombre máquina, una
en donde por medio de una computadora el usuario modifique y cree secuencias de
movimiento y otra, una aplicación en sistema operativo Android para dispositivos
móviles, para que desde un teléfono inteligente o tableta el usuario tenga el control
sobre el robot-soccer.
Referencias
García, A. (2005). EL CONTROL AUTOMÁTICO EN LA INDUSTRIA. España. Editorial
Ediciones de la Universidad de Castilla- La Mancha
Gómez, S. (2008). El gran libro de SolidWorks. México. Editorial Alfaomega.
Ollero, A. (2001). ROBÓTICA Manipuladores y robots móviles. España. Editorial
Marcombo.
Página 245
Control de Potencia Activa Mediante un Compensador Vectorial Serie
en una Línea de Transmisión
Efrain Villalvazo Laureano1, Juan Miguel González López2, Francisco Javier Hernández
Peña3
1
Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla – 21 Sur 1103 Barrio Santiago,
Puebla, México [email protected] 1
2
Universidad de Colima, Facultad de Ingeniería Electromecánica – Km 20 Carretera
Manzanillo-Cihuatlan, Manzanillo, Colima, México. [email protected] 2
3
Universidad Tecnológica de Manzanillo – Camino hacia las humedades S/N, Salagua,
Manzanillo, Colima, México. [email protected] 3
Resumen
Un Compensador Vectorial Serie (SVeC) es estudiado en esta investigación dentro de
la tecnología conocida como Sistemas Flexibles de Transmisión de AC (FACTS), este
convertidor electrónico está basado en una fuente AC-AC y es capaz de operar entre
dos subestaciones eléctricas para controlar el flujo de potencia que circula por la línea
de transmisión. Además puede ser utilizado en parques eólicos, o fotovoltaicos para
controlar la potencia que se inyectará a la red eléctrica. Las simulaciones de este
dispositivo se realizan mediante la ayuda del software EMTDC/PSCAD y se utiliza un
sistema de potencia de 2 generadores y 3 subestaciones como sistema de prueba para
mostrar la capacidad de este dispositivo electrónico.
Palabras claves
Electrónica de potencia, Interruptores bidireccionales AC, FACTS, estabilidad de
sistemas eléctricos de potencia, flujos de potencia.
1. Introducción
La generación de energía eléctrica se produce en las centrales eléctricas,
posteriormente se transporta por la red de transmisión que consta principalmente de
subestaciones eléctricas y líneas de transmisión para entregar la energía a los centros
Página 246
de consumo como ciudades e industria dentro de las normas específicas de calidad y
fiabilidad (Grainger, 1994). En los últimos años el consumo de energía eléctrica ha
aumentado considerablemente debido al rápido crecimiento de la población y de la
industria lo que provoca que algunas líneas de transmisión se saturen o congestionen la
red de transmisión y estén trabajando cerca de sus límites físicos. Este hecho ha dado
la oportunidad a la electronica de potencia mediante el diseño de dispotivos conocidos
como FACTS que de acuerdo con (Hingorani, 2000) "son sistemas de transmisión de
corriente alterna que incorporan controladores estáticos basados en electrónica de
potencia para mejorar el control e incrementar la capacidad de transferencia de
potencia especialmente el líneas de transmisión."
2. Desarrollo
Estado del arte.
La tecnología de FACTS es capaz de controlar algunas de las variables que rigen el
comportamiento de las líneas de transmisión a un costo razonable, además
incrementan la capacidad de transporte de energía en las líneas de transmisión,
permitiéndoles trabajar cerca de sus límites físicos. La Tabla 1 ilustra la mayoría de
dispositivos FACTS propuestos en la literatura. La mayoría de los dispositivos FACTS
presentados en esta tabla han sido ampliamente estudiados en diversas aplicaciones
(González, 2006).
Tabla 1. Revisión general de FACTS, (González, 2006)
FACTS de rápida conmutación
Segunda generación
Nueva generación
Primera
generación
Conexión con la
línea
Paralelo
Serie
Serie-paralelo
Basados en
Tiristores
SShC
compensación
paralelo conmutada
SSeC
Compensación serie
conmutada
PST
Transformador
cambiador de fase
SVC
Compensador
Estático de VAR
TCSC
Compensador Serie
Controlado por
tiristores
DFC Controlador
dinámico de flujos
Basados en VSC
Fuente Convertidora
de Voltaje (c.c.)
STATCOM
Compensador
Estático Síncrono
SSSC
Compensador Serie
Síncrono Estático
UPFC
Controlador
Unificado de Flujos
de Potencia
Basados en
fuentes ac-ac
SVeC
Compensador
Vectorial Serie
Controlador-t
Página 247
En años recientes nuevos controladores se han diseñado basándose en fuentes
A.C./A.C. y han demostrado que es posible alcanzar los mismos objetivos que en C.C.
En lo que a la nueva generación de FACTS se refiere, (Lopes, 2001) diseñó el primer
dispositivo FACTS serie basado en un convertidor A.C. para controlar el flujo de
potencia activa entre dos líneas de transmisión utilizando un sistema radial inyectando
una reactancia capacitiva en serie con la línea de transmisión que es ajustada
automáticamente a través del ciclo de trabajo.
(Mancilla F. D., 2008) Realiza una comparación entre el SVeC y el TCSC dentro de
un sistema de potencia radial, donde muestra que el SVeC presenta un control más
suave que el TCSC durante transitorios. (Mancilla F. D., 2009) presenta un analisis
minusioso entre el SVeC y el SSSC, en este análisis se muestra que el SSSC requiere
almacenar el doble de energía capacitiva con un 66% extra de semiconductores para la
misma aplicación, demostrando que el costo del SSSC es más alto que el SVeC y
además ocupa de mayor espacio y un mayor costo en el mantenimiento.
(Gonzalez J. M., 2010), (González, 2006), (Gonzalez J. M., 2007), y (Ramirez J. M.,
2007) demostraron que el SVeC proporciona mayor amortiguamiento en las
oscilaciones de potencia en un sistema eléctrico de potencia cuando se compara con el
SSSC y el TCSC, este análisis fue realizando mediante un análisis fasorial
implementándolo en el método de Newton Raphson y Euler modificado, con un control
PI por consecuencia la construcción de este tipo de dispositivos puede ser una mejor
alternativa respecto a los ya existentes para la compensación dinámica en serie de
líneas de transmisión, especialmente donde el espacio y el costo en la construcción son
un problema.
Otros estudios como el de (Wang L., 2013) han demostrado que el SVeC puede ser
de gran ayuda para controlar la potencia activa generada en parques eólicos, incluso
aquí se demuestra que trabaja de mejor forma que el SSSC.
Página 248
Los convertidores matriciales están compuestos por interruptores bidireccionales, un
interruptor bidireccional es un dispositivo que es capaz de conducir corriente en ambos
sentidos y bloquear voltajes tanto de polaridad positiva como negativa. En la actualidad
no
existen
interruptores
bidireccionales
construidos
físicamente
por
lo
que
generalmente se recurre a configuraciones físicas de IGBTs y diodos de potencia. La
Figura 1 ilustra las configuraciones típicas de IGBTs para la realización física de un
interruptor bidireccional.
a) Puente de diodos
b) Arreglo paralelo
c) Emisor comun d) Colector comun
Figura 1. Arreglo de interruptores bidireccionales
La rápida conmutación de los IGBT’s provoca un comportamiento no lineal que aún
no ha sido explorado en esta nueva topología de FACTS. Por lo que exististe una área
de oportunidad por explorar, ya que una incógnita inminente es ¿Esta topología se
desempeñará mejor con otras estrategias de control más complejas que tomen en
cuenta la conmutación de los IGBT’s?
El presente proyecto de investigación este enfocado en el diseño de un algoritmo de
control basado en un control difuso para el SVeC con el fin de controlar el flujo de
potencia activa de una mejor forma, este tipo de control ha demostrado ser más
eficiente en muchas aplicaciones, en donde el control clásico y moderno no han sido
capaces de arrojar resultados eficientes. Para lograr este objetivo, primero es necesario
realizar simulaciones del dispositivo incorporando todos los elementos que lo
conforman y que interactúen con el sistema, por lo que este articulo presenta los
avances obtenidos en este tema de investigación, el cual consiste en la simulación
detallada de los dispositivos electrónicos que conforman el SVeC, posteriormente es
incorporado en un sistema eléctrico de potencia de dos generadores y tres líneas de
Página 249
transmisión, en el cual se utiliza el modelo de cuarto orden para el generador, un
excitador y gobernador, esto con el fin de analizar el comportamiento del SVeC al
interactuar con el sistema de potencia de una mejor forma, por el momento se ha
diseñado un control lineal (PI) que será utilizado para comparaciones con sistemas de
control más robustos que se diseñen en un futuro. Cabe mencionar que hasta el
momento este tipo de análisis en donde se realizan las simulaciones de todos los
dispositivos electrónicos y a su vez incorporarlo en un sistema eléctrico de potencia no
ha sido explorado en la literatura por lo que es una de las primeras aportaciones
importantes de este tema de investigación.
Compensador Vectorial Serie SVeC.
El esquema del SVeC se muestra en la Figura 2 , (Lopes, 2001). Este compensador
serie consiste de: un transformador de Ta, Tb y Tc; compensación de capacitores Ca, Cb
y Cc; además de interruptores controlados por PWM Sa, Sb, Sc, S’a, S’b y S’c. Durante el
periodo de conmutación cuando los interruptores Sa, Sb, Sc están cerrados, la
compensación capacitiva es conectada, mientras que los interruptores S’a, S’b y S’c
están abiertos evitando así un corto-circuito operando de forma complementaria con
respecto a Sa, Sb y Sc.
El compensador SVeC básicamente provee una reactancia capacitiva variable XSVeC,
el cual se ajusta a través de las variaciones del ciclo de trabajo Ds. Por lo tanto se
puede decir que este dispositivo controla el flujo de potencia variando la reactancia.
La impedancia equivalente entre la subestación de envío y recepción del SVeC se
puede definir como (Mancilla F. D., 2008):
X SVeC =
−n 2 (1 − Ds ) xc
2
(1)
Página 250
Figura 2. Línea de transmisión con SVeC.
Observe que en (1) la impedancia inyectada en serie depende del ciclo de trabajo Ds
para los interruptores; por lo tanto, este ciclo de trabajo provee un control en el flujo de
potencia.
El fasor de voltaje en el lado primario del transformador de acoplamiento visto desde
el lado de la línea de transmisión en la Figura 2 puede ser evaluado como sigue:
=
Vs n 2 (1 − Ds ) I km
2
(2)
Observe que en (1) y en (2) todas las cantidades son las máximas cuando el ciclo de
trabajo es cero. Por lo tanto, el punto de operación en el cual el ciclo de trabajo es el
mínimo determina la capacidad del dispositivo incluyendo los MVA del transformador.
La potencia activa se describe mediante la siguiente ecuación:
𝑣𝑣� −𝑣𝑣�
𝑃𝑃 = 𝑣𝑣�𝑠𝑠 �𝑗𝑗 (𝑥𝑥𝑠𝑠 −𝑥𝑥𝑟𝑟 )�
𝑙𝑙
𝑐𝑐
(3)
Simulación del SVeC en PSCAD
La Figura 3 muestra el bloque del SVeC construido en PSCAD, consiste en tres
subsistemas, uno para el transformador serie (SIT), otro para el convertidor vectorial
que contiene a los interruptores bidireccionales y el ultimo para la estrategia de control
diseñada.
La Figura 4 muestra el diagrama de control de la estrategia adoptada para controlar la
potencia activa que circula por la línea de transmisión.
Página 251
SIT
Cr
Br Cs
Ar Bs
As
As
Ar
Bs
Br
Cr
Cs
A
C
B
Convertidor
Matricial
Pkm
A
Diagrama
de control
B
C
D’s
Ds
Ds
D’s
Capacitores
Figura 3. SVeC implementado en PSCAD
Para lograr controlarla se realiza una medición de la potencia activa en la línea, esta
se cambia a valores por unidad, la señal pasa a través de un filtro pasa-altas y pasabajas para deshacerse del ruido que pudiera obtenerse de la medición , esta
información se compara con la referencia. EPij es el error de esta diferencia y se utiliza
por el bloque de adelanto-atraso y por el PI bloque para obtener el valor de la señal
portadora que se utilizará por un comparador, esta señal portadora corresponde al ciclo
de trabajo de los interruptores bidireccionales que están en el subsistema del
convertidor vectorial.
Figura 4. Estrategia de control
Una señal rampa de 2.4 kHz es utilizada, Figura 5, esto corresponde a 40 veces la
frecuencia del sistema. La señal portadora (q1) obtenida en la Figura 4 es usada para
Página 252
compararla con la señal rampa y así construir los pulsos que conmutarán a los
interruptores. Por lo tanto, tres señales (Ds) y tres (D's) complementarios tienen que ser
construidas.
Figura 5. Estrategia PWM
El convertidor matricial está representado en la Figura 6 observe como entre IGBTs
se configura un interruptor bidireccional emisor común. El subsistema requiere la
aportación de dos señales (Ds y Dsp) que se obtienen en la salida del esquema de
control. Estas señales corresponden al ciclo de trabajo y representan la activación y
desactivación de los interruptores.
Figura 6. Convertidor matricial implementado en PSCAD.
3. Resultados
El sistema IEEE 2 generadores y 3 subestaciones (Figura 7) es usado aquí como
sistema de prueba para analizar el comportamiento del SVeC. El sistema consiste de
dos generadores, 3 nodos, y 3 líneas de transmisión y una carga conectada al nodo 3,
Página 253
entiéndase por nodo a las subestaciones eléctricas. Este sistema es muy típico donde
dos áreas de generación de energía son conectadas a través de una línea de
transmisión larga. Ambos generadores son modelados en gran detalle con los modelos
subtransitorios, asumiendo excitadores tipo (AC4a) y un gobernador hidráulico tipo 1,
estos modelos son obtenidos de (Kundur, 2004). La carga conectada al nodo 3 consiste
de 900MW y 300MVAR y es modelada como impedancia constante.
Figura 7. Sistema de potencia de prueba IEEE 3 nodos.
Un estudio de flujos de potencia mediante Newton Rapshon determinan la cantidad
de energía que debe ser transportada por cada línea de transmisión. La Tabla 2 ilustra
los flujos de energía por las líneas de transmisión, observe como el generador 1 aporta
400 MW (P13) mientras que el generador 2 aporta los restantes 500 MW que se
distribuyen equitativamente por las líneas de transmisión P23 y Pp23 que están
conectadas en paralelo. Similarmente para la potencia reactiva, el generador 1 aporta
157 MVAR (Q13), mientras que las líneas 23 y p23 transportan 151MVAR cada una.
Tabla 2. Flujos de potencia en las líneas de transmisión sin SVeC
Línea
Potencia
Activa
MW
Potencia
reactiva
en
MVAR
13
400
157
23
250
151
P23
250
151
Carga
900
459
La congestión de las líneas de transmisión se da mucho en estos casos donde dos
líneas de transmisión están conectadas en paralelo ya que en muchas ocasiones la
impedancia de las líneas de transmisión no es la misma en ambas líneas de
Página 254
transmisión por lo que una de ellas se congestiona, motivo por el cual es necesario la
instalación de un FACTs.
Para este ejercicio, un SVeC es conectado en la línea 2-3 a través de un
transformador serie de acoplamiento para regular la potencia activa en la línea de
transmisión, de tal forma que se desea que por una línea de transmisión se transporten
333MW y por la otra 167 MW. Ademas, se presentan un análisis del sistema eléctrico
de potencia bajo la apertura de un interruptor. El sistema está trabajando sin ningún
evento durante el primer segundo. En t=1 segundo se presenta la apertura del
interruptor mostrado en la Figura 7 como (BRK3_2p), después de 3 ciclos el interruptor
vuelve a cerrar.
Las respuestas obtenidas de las simulaciones se muestran en las Figuras. 10-13. La
Figura 10 ilustra los flujos de potencias en las líneas de transmisión, observe que
efectivamente el SVeC es capaz de controlar el flujo de potencia activa a través de una
línea de transmisión. La Figura 11 presenta la velocidad angular de los generadores
ante la perturbación presentada con el SVeC instalado y las potencias en las cargas.
Por otro lado, la Figura 12 muestra el voltaje que debe ser inyectado en serie por el
SVeC a la línea de transmisión con el fin de controlar la potencia activa al valor de
referencia.
El ciclo de trabajo necesario para controlar la potencia activa y necesarios para la
conmutación de los interruptores se muestra en la Figura 13. Este ciclo de trabajo es
acerca del 24% del periodo total de conmutación.
1.0004
1000
W gs1
1.0003
Qload
800
in MW
load
1.0001
1
S
Velocity in pu
1.0002
0.9999
700
600
500
400
0.9998
0.9997
Pload
900
W gs2
300
200
0
2
4
6
8
10
Time in s
(a) Flujos de potencia Activa
0
2
4
6
8
10
Time in s
(b) Flujos de potencia Reactiva
Página 255
Figura 10. Flujos de Potencia en líneas de transmisión con SVeC
1.0004
1000
W gs1
1.0003
Qload
800
in MW
load
1.0001
1
S
Velocity in pu
1.0002
0.9999
700
600
500
400
0.9998
0.9997
Pload
900
W gs2
300
200
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
8
10
Time in s
Time in s
(a) Potencia en carga
(b) Velocidad de generadores
Figura 11. Potencia en Carga y velocidad de generadores con SVeC.
20
Vserie
15
5
0
-5
V
serie
in kVolts
10
T
-10
-15
-20
0
4
2
6
10
8
Time in s
Figura 12. Voltaje inyectado en serie con la línea de transmisión.
0.45
Ds
Ds [01]
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
-4
-2
0
4
2
Time in s
6
8
10
Figura 13. Ciclo de trabajo
Página 256
4. Conclusiones
El modelo detallado del SVeC fue simulado en un sistema de potencia multimáquinas
con el uso de paquete EMTDC/PSCAD. Las respuestas de las simulaciones muestran
un comportamiento muy satisfactorio. Estos resultados claramente indican la efectividad
de este dispositivo, diferentes señales fueron presentadas para su análisis donde
claramente se muestra la capacidad de este dispositivo. Con ellos se puede asegurar la
transmisión de la energía eléctrica aumentando la eficiencia de las líneas de
transmisión llevándolas a sus límites de operación sin poner en riesgo la seguridad del
sistema eléctrico; además de colaborar con el cuidado y preservación del medio
ambiente. Por otra parte se visualiza claramente las ventajas que trae consigo la
utilización de los nuevos dispositivos de electrónica de potencia como los IGBT’s.
Referencias
1. Arriaga, J. a. (2001). Computer modelling of electrical power system. England:
John Wiley & Sons.
2. Expósito, G. (2002). Análisis y operación de sistemas de energía eléctrica.
España: McGraw Hill.
3. Gonzalez, J. M. (2007). AC/AC series converter in transient stability. Proceedings
on north american power system, New Mexico , 7.
4. Gonzalez, J. M. (2010). Modeling and comparative study of seriec vectorial
compensators. IEEE Transaction on power delivery , 11.
5. Grainger, J. J. (1994). Power system analysis. Singapore: Mc Graw-Hill.
6. Gonzalez, J. M. (2006). Dispositivos FACTS basados en fuentes convertidoras
de ac-ac.
7. Hingorani, N. G. (2000). Understanding FACTS: Concepts and technoloty of
Flexible AC Transmission. New York: Institute of Electrical and Electronic
Engineers.
8. Kundur, P. (2004). Power systems stability and control. New York: McGraw-Hill.
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9. Lopes, L. A. (2001). Pulse width modulated capacitor for series compensation.
IEEE Transaction on power electronics , 8.
10. Mancilla, F. D. (2008). A comparative evaluation of series power flow controllers
using DC and AC link converters. IEEE Transaction on power delivery , 12.
11. Ramirez, J. M. (2007). Steady state and transient stability studies with an AC/AC
PWM series compensator. IEEE PES summer meeting, Florida .
12. Ramirez, J. M. (2007). Steady state formulation of FACTS devices based on ACAC converters. IEE proceedings on electric power applications , 13.
Página 258
Análisis Térmico de Tanques para Calentadores de Agua.
Luis Javier Velázquez Chavez1 Juan Miguel González Lopez2 Tatiana Elizabeth
Vázquez Zuñiga3
1
Universidad de Colima, Facultad de Ingeniería Electromecánica – Km 20 Carretera
Manzanillo-Cihuatlan, Manzanillo, Colima, México. [email protected]
2,3
Universidad Tecnológica de Manzanillo – Camino hacia las humedades S/N, Salagua,
Manzanillo, Colima, México.
2
[email protected] [email protected]
Resumen
La presente investigación tiene como propósito realizar un análisis del tanque de agua
mediante una ecuación diferencial que representa el comportamiento dinámico del
mismo, dicha ecuación se obtiene mediante la ley de corrientes de Kirchoff donde un
circuito eléctrico se representa mediante ecuaciones térmicas, el modelo matemático
analiza el comportamiento de la temperatura del agua dentro del tanque y predice los
tiempos de encendido y apagado debido a la utilización de resistencias eléctricas y de
un quemador de gas.
Palabras claves
Ley de corrientes de Kirchoff, Análisis de circuitos y Calentadores de agua.
1. Introducción
Los calentadores de agua son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones
industriales y domésticas. La energía para calentar el agua puede provenir de
diferentes tipos de recursos, como de petróleo, gas natural, energía eléctrica o energía
solar. La mayoría de las veces el calentamiento de agua es uno de los dispositivos de
mayor uso de energía en el hogar y pueden dar cuenta de casi de una cuarta parte del
consumo de energía en los hogares. En algunas regiones de México y dependiendo de
la estación del año, los hogares dependen de un sistema fiable y con suficiente
suministro de agua caliente para usos múltiples en el hogar. El aumento de los precios
de la energía y otras presiones económicas han generado más interés en la eficiencia
Página 259
energética para los sistemas de agua caliente y así reducir las facturas de los servicios
mensuales. Al mismo tiempo, estándares más estrictos en su construcción fueron
anunciados en el 2010 por la asociación ENERGY STAR que ha desarrollado requisitos
mínimos para calentadores de agua residenciales con el fin de elevar la competitividad
entre las empresas al obligarlos a etiquetar los calentadores de agua en donde deberán
de incluir el consumo de energía de cada uno de ellos, ya que estos sistemas pueden
variar significativamente en términos de costo inicial, costo anual por concepto de
energía y en su capacidad para proporcionar un suministro adecuado de agua caliente.
En la literatura se pueden encontrar una serie de estudios que involucran el
tanque para calentadores de agua ya sea para optimizar el consumo de energía
utilizado por los calentadores utilizando gas o electricidad, o en el diseño de
calentadores de agua solares que contienen colectores de placa plana, o
concentradores de canal parabólico o de disco parabólico.
(Salcines Delfín Silió, 2010) analizó algunos colectores solares de placa plana
bajo diferentes valores de eficiencia, sin embargo no pone especial atención a las
pérdidas de temperatura del agua dentro del tanque. (Azzouzi Attia B., 2011) diseñó un
calentador de agua solar enfocado en el control de la temperatura del agua usando un
micro controlador. Un diseño similar fue hecho por (Azzouzi, 2011).
(Shaad M., Mayo, 2012) estudia el efecto de un algoritmo central dentro en un
vecindario conocido como (direct load control) donde se controla el encendido y
apagado de los calentadores de agua, en este estudio utiliza sistemas de identificación
de parámetros físicos y predicción del consumo de agua caliente para optimizar el
consumo de energía de los calentadores de agua dentro del vecindario, en este tipo de
estudios solo se toma en cuenta datos estadísticos y no variables que describan el
comportamiento físico del tanque. Estudios similares se pueden encontrar en (Kondoh
J. & Hammerstrom, Agos. 2011), (Kumar, 2010), (L., 2011).
Página 260
Por otro lado (Bozchalui M.C., 2012) proponen un modelo de optimización
matemática para eficientizar los calentadores de agua al incorporarlos dentro de las
tecnologías de redes eléctricas inteligentes al interactuar con un algoritmo de control
para toma de decisiones para el encendido y apagado de forma coordinada entre el
calentador de agua, aires acondicionados, calefacción, refrigeradores, estufas, etc.
Este análisis utiliza un modelo matemático que aproxima el comportamiento del tanque
solo con algunas mediciones de la temperatura del agua. (Pedrasa M. A. A., 2010)
también proponen una estrategia coordinada para el encendido y apagado de los
dispositivos utilizados en el hogar.
Todos estos estudios realizan aproximaciones ya sea mediante mediciones o
datos estadísticos para describir el comportamiento de los calentadores de agua. Este
artículo presenta un análisis dinámico mediante la obtención de una ecuación
diferencial obtenida por fórmulas térmicas que describen el comportamiento físico del
tanque de agua. Este modelo puede ser utilizado por otros modelos para propósitos de
validación y análisis del consumo energético. Además, este modelado es analizado
dentro de matlab-Simulink usando una interfaz grafica construida en GUIDE.
2. Desarrollo.
El funcionamiento en el tanque es muy sencillo, se trata de un tanque de agua de
dimensiones nada despreciables (50-100 litros) en cuyo interior una resistencia eléctrica
o un quemador de gas se encarga de calentar el agua, o de una ganancia térmica
obtenida por un colector solar. Una vez alcanzada la temperatura el aislamiento del
tanque se encarga de que ésta no se enfríe demasiado rápido.
El tanque de agua consiste en un depósito de acero, que contiene el agua que se
calienta, un aislamiento rodea el depósito a fin de disminuir la cantidad de pérdida de
calor en el ambiente, tubos de inmersión en agua fría para permitir entrar en el
depósito, tubo agua caliente para permitir salir del tanque, los más recientes cuentan
con termostatos que leen y controlan la temperatura del agua dentro del tanque.
Dependiendo del tipo de calentador de agua, el elemento que calienta el agua
Página 261
puede ser una resistencia, que calienta el agua por medio de electricidad, un quemador
de gas, o un colector solar, también cuentan con una válvula de drenaje para drenar el
agua durante los periodos de mantenimiento, una válvula de alivio de presión por
razones de seguridad.
La potencia nominal de la resistencia eléctrica suele estar entre 3000 y 5500 W
el cual depende de la cantidad y tamaño del tanque de almacenamiento. El tamaño del
depósito es generalmente de 20 a 120 galones (75,71 a 454,25 litros), la Figura 1 (a)
muestra los principales componentes de un calentador de agua eléctrico. Para en el
caso donde se utilizan quemadores de gas, estos consumen entre 20000 y 700000
BTUs y su eficiencia energética oscila entre 50% y 94% dependiendo de la tecnología y
el uso del calentador, la Figura 1 (b) muestra los componentes principales de calentador
de agua con quemador de gas. Por otro lado los colectores solares tienen una eficiencia
de entre 30% y 80% dependiendo del tipo de colector solar utilizado. La temperatura
por lo general puede ser establecida por el usuario y oscila entre 40 OC y 70OC, la
Figura 1 (c) muestra los componentes típicos de un colector solar de placa plana que
puede ser sustituido por colector de canal parabólico o de disco parabólico.
Valvula de
alivio
Salida de
agua
caliente
Entrada de
agua fria
Valvula de
alivio
Salida de
agua
caliente
Entrada de
agua fria
Colector solar de placa
plana
Resistencias
electricas
Anodo de
magnesio
Anodo de
magnesio
Aislamiento
Aislamiento
Termostato
Resistencias
electricas
Salida de
agua caliente
Entrada de
agua fria
Termostato
Quemador
de gas
Intercambiador
de calor
a) Calentador eléctrico. b) Calentador de gas c) colector de placa plana.
Figura 1. Calentadores de agua.
Para todos calentadores de agua, "las pérdidas" se presentan cuando el agua
caliente almacenada en el depósito pierde energía térmica de la zona alrededor del
Página 262
tanque. El aislamiento del depósito puede reducir las pérdidas de calor en el depósito
con niveles de aislamiento adecuados.
Por otro lado, el modelado del calentador de agua es una simple ecuación
energética que representa una variedad de condiciones de trabajo. Entre estas
condiciones se puede mencionar: la densidad y calor especifico del agua, predicción del
consumo de agua, temperatura del agua al inicio del proceso de calentamiento,
temperatura alrededor del tanque, tipo de combustible utilizado y el costo por el
consumo del mismo.
La densidad del agua solo sufre cambios con la temperatura, sin embargo esta
variación es muy pequeña en los calentadores de agua por lo que se puede considerar
constante durante su estudio. La densidad del agua se encuentra en tablas fácilmente y
tiene un valor de 1000kg/m3. El calor especifico es una cantidad de calor por unidad de
masa requerida para elevar la temperatura del agua en un grado y su valor también se
puede obtener de tablas con un valor de 4186 J/(kg OC).
El consumo de agua Wd es un valor del caudal de agua caliente que se extrae
del calentador de agua proveniente del tanque para su uso doméstico tal como
ducharse, lavarse las manos, lavar la ropa, trastes sucios, etc. Este consumo de agua
caliente depende totalmente de las personas que vivan en el hogar así como de las
edades de estas, si trabajan o no y si es fin de semana o entre semana. Algunas
investigaciones se han desarrollado para predecir el consumo de agua caliente
promedio por hora, y de acuerdo con las condiciones mencionadas pueden ser
encontradas en (James D. Lutz, 1996), (Energy.ca.gov, 2002). En este artículo se ha
predecido el siguiente consumo de agua caliente según la Figura 2, para una familia de
2 personas adultas, un niño y una de las personas adultas permaneciendo todo el día
en casa.
Página 263
30
Temperatura del agua C
25
20
15
10
5
0
5
10
20
15
Tiempo en hrs
Figura 2 Consumo de agua.
La Figura 3 ilustra el modelo matemático del tanque de agua, el modelo es
representado mediante un circuito eléctrico, Tin, m y Cp representan la cantidad de
energía térmica proveniente del agua al entrar al tanque; UA y Tamb representan las
perdidas por aislamiento, Q y η describen la cantidad de energía consumida para elevar
la temperatura del agua en el tanque.
Figura 3 Modelo matemático del tanque de agua.
La siguiente ecuación diferencial representa un balance del flujo de energía
transmitida al agua en el punto de intersección (Tw) de la Figura 3, obtenida mediante
la ley de corrientes de Kirchoff:
𝑑𝑑𝑇𝑇𝑤𝑤
donde:
Tw
m
𝑑𝑑𝑑𝑑
=
𝑚𝑚̇ 𝐶𝐶𝑝𝑝
𝐶𝐶𝑤𝑤
𝑈𝑈𝑈𝑈
𝑇𝑇𝑖𝑖𝑖𝑖 + 𝐶𝐶 𝑇𝑇𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 −
𝑤𝑤
𝑈𝑈𝑈𝑈+𝑚𝑚̇ 𝐶𝐶𝑝𝑝
𝐶𝐶𝑤𝑤
+ 𝑄𝑄𝑄𝑄
(1)
Temperatura del agua en las paredes del tanque OC
Densidad del agua kg/m3
Página 264
Cp
UA
Cw
Q
h
Calor especifico del agua J/(kg OC)
Valor R de acuerdo con tipo de aislamiento J/ OC
Capacitancia térmica ecuación (2)
Calor inyectado al tanque ya sea por electricidad, gas, o energía solar (Watts,
BTUs)
Eficiencia del calentador de agua (unidimensional [0.5- 0.94])
𝐶𝐶𝑤𝑤 = 𝑚𝑚̇𝐶𝐶𝑝𝑝 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉
(2)
La Figura 4 muestra la interfaz grafica construida en GUIDE para una utilización
sencilla, en la cual se pretende que cualquier usuario pueda utilizar este modelo. En
esta interfaz solo se han considerado la utilización de una resistencia y de un quemador
de gas.
Figura 4. Interfaz grafica construida en GUIDE
La Figura 5 ilustra la programación de todos los términos de la ecuación
diferencial (1) que representan el comportamiento físico del tanque de agua.
Página 265
Figura 5. Programación de la ecuación diferencial.
3. Resultados
Para propósitos de análisis se ha considerado un tanque de agua de 184 litros con una
resistencia eléctrica que consume 4500 watts, adicionalmente se ha considerado el uso
de un quemador de gas de 50000Btus, una temperatura de 10oC del agua a la entrada
del tanque y una temperatura constante de 21oC alrededor del tanque.
La Figura 6 muestra los encendidos y apagados del calentador de agua cuando
se utiliza tanto la resistencia como el quemador de gas. Observe como los pulsos en el
encendido son de mayor amplitud y se enciende once veces en el día cuando se utiliza
un quemador de gas, mientras que cuando se utiliza una resistencia los pulsos son de
menor amplitud con una anchura ligeramente mayor y se enciende diez veces durante
el día.
8000
Elec
gas
Power W
6000
4000
2000
0
0
5
10
15
20
25
time hrs
Figura 6. Consumo de energía del calentador de agua mediante el uso de resistencia eléctrica y
quemador de gas.
Página 266
La Figura 7 ilustra el comportamiento de la temperatura del agua dentro del
tanque, este comportamiento depende totalmente de los encendidos y apagados de la
Temperute of water o C
resistencia y del quemador de gas mostrados en la Figura 6.
60
Elec
gas
55
50
5
0
15
10
20
25
time hrs
Figura 7. Temperatura del agua dentro del tanque.
4. Conclusiones
Se ha presentado un análisis del tanque de agua mediante una ecuación diferencial que
representa el comportamiento dinámico del mismo, dicha ecuación fue obtenida
mediante la ley de corrientes de Kirchoff donde el circuito eléctrico se representa
mediante ecuaciones térmicas, el modelo matemático permite realizar un análisis
detallado del comportamiento de la temperatura del agua dentro del tanque y predice
los tiempos de encendido y apagado debido a la utilización de resistencias eléctricas y
de un quemador de gas,
Referencias
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International Conference on Multimedia Computing and Systems (ICMCS) , 14.
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HOUSEHOLDS. Berkeley, California: Thesis On National Laboratoryin
Berkeley California.
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energy resources to optimize smart home energy services. IEEE Trans. Smart
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WATER HEATING SYSTEM, WITH DIFFERENT COLLECTOR EFFICIENCES
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11. Sandoval, R. (2009). Municipios: Dinero y TIC. Portal Ciudadano. México:
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12. Shaad M., M. A. (Mayo, 2012). Parameter identification of thermal models for
domestic electric water heaters in a direct load control program . Electrical &
Computer Engineering (CCECE), 2012 25th IEEE Canadian Conference on , 15.
Página 268
Estudio de la calidad de la energía como herramienta para la
obtención de la certificación ISO 50001 aplicado a una planta papelera
David Alejandro Sifuentes Godoy1 Efraím Castellanos Frayre2 José Manuel Manzanera
Martínez3
1,2,3
Universidad Tecnológica de Durango – Carretera Durango-Mezquital km. 4.5 s/n,
1
[email protected],[email protected]
3
[email protected]
Resumen
El auge de conceptos como “mayor calidad”, “mayor eficiencia”, en cualquier proceso
ha traído como resultado la implementación de cargas no lineales las cuales provocan
una distorsión en la forma de onda de voltaje y corriente, lo que genera una baja en la
calidad de la energía.
Empresas del ramo papelero, llevan a cabo su proceso a través del uso de cientos de
motores, los cuales cuentan con equipos electrónicos de potencia para su
instrumentación y control produciendo perturbaciones en el sistema eléctrico.
El análisis de la calidad de la energía del sistema eléctrico de la empresa papelera,
arrojó que dicho sistema eléctrico tiene una buena calidad de la energía y se determinó
que los niveles mínimos de calidad de la energía para la creación de una política
energética con el fin de obtener la certificación ISO 50001 son los requeridos por las
normas UNE-EN 50160 y la IEEE 519-1992.
Palabras claves
Calidad de la energía, ISO 50001, eficiencia energética.
1. Introducción
Gracias al vertiginoso avance de la tecnología y a la constante búsqueda de la
eficiencia en cualquier proceso productivo, la mayoría de las empresas implementan un
sin número de componentes eléctricos y electrónicos para llevar a cabo el control de
algún sistema, transmitir y recibir datos, automatizar un proceso, optimizar un sistema y
frecuentemente para facilitar alguna actividad. Esto trae bastantes beneficios tanto
técnico-operativos como económico-administrativos ya que esto aumenta la eficiencia
Página 269
del proceso y genera ahorros económicos. En base a esto pudiese pensarse que el
sistema o proceso es 100% eficiente, pero el uso de la electrónica trae consigo una
serie de alteraciones o “impurezas” que “contaminan el sistema eléctrico”, por llamarlo
de alguna manera, que provocan perturbaciones en el sistema eléctrico y reducen la
calidad de la energía eléctrica, siendo a su vez está la carga más sensible ante la baja
calidad de la energía.
Las razones por las cuales es importante el análisis de la calidad de la energía son
que conforme avanza
la tecnología y se automatizan procesos, la utilización de
elementos electrónicos de control va en aumento, estos aditamentos son cada vez más
sensibles a la variación de ciertos parámetros eléctricos.
Harper (2008) argumenta que el principal factor que se encuentra detrás de los
conceptos de la calidad de la energía es el incremento en la productividad.
Para la elaboración de este estudio se postuló la siguiente hipótesis:
“Un análisis de la calidad de la energía proporcionara áreas de mejora para obtener la
certificación ISO 50001”.
2. Desarrollo
El proyecto inicio con la realización de un recorrido de campo, para identificar todas las
subestaciones que alimentan a la máquina de papel. De este recorrido de campo se
encontró que existen 7 subestaciones en la nave industrial que alimentan a la máquina
de papel.
Donde cada subestación cuenta con varios Centros de Control de Motores (CCM’s)
distribuidos de la siguiente manera:
SUBESTACIÓN
CCM
12
12D1
12D2
12 D3
12D4
13
D1
D2
D3
D4
14 A
13A
14 B
G1
G2
G3A
H1
15
A1
A2
A3
A4
13 E4
16
A1
A2
A3
B1
B2
17
17A
E1
E2
E3
H2
H4
G1B
12 D4
12C
12E1-1
12E1-2
E4
13C
12B
12F
13E2-1
Tabla 1.- Distribución de CCM`s
Página 270
Procedimiento
El proyecto se realizó dentro del área de la máquina de papel tomando mediciones
diarias por periodos de tiempo de 24 horas en los CCM´s de bajo voltaje, es decir, de
460v de diferentes subestaciones.
El aparato que se utilizó para realizar las mediciones es un analizador de la calidad
de la energía, el AMC/POWER PAD 3945, el cual cuenta con las siguientes
características de entrada: 480v RMS en fase-neutro, 960v RMS fase-fase y un soporte
máximo de 6500 A al utilizar AmpFlex.
Los parámetros a medir fueron:
 Flicker
 Factor de Potencia (FP)
 Voltaje RMS
 Armónicos en Voltaje
 Corriente RMS
 Armónicos en Corriente
 THD
 Desfasamientos
 FK
 Transitorios (Sags y Swells)
Posteriormente se inició con las mediciones, realizando la conexión de la siguiente
manera:
FASES DE LA RED
CABLES
DE
PLACAS
DE COBRE
PINZAS DE
CORRIENT
PINZAS
DE
ANALIZADOR
Figura 1.- Diagrama de conexión
Figura 2.- Conexión de analizador al CCM
A continuación se muestra el diagrama unifilar de uno de los CCM, donde se
muestra el punto de medición.
Página 271
SUBESTACIÓN 13, CCM 13-D1
DIAGRAMA UNIFILAR
Icc 115 KV (3Ø)= 4144.8 a
Icc 115 KV (1Ø)= 5496.3 a
Subestacion # 13
Transformador T-1
20/22 MVA
115-13.8/ 7.97 KV
K7
Tablero G.E.
Icc 3Ø = 19941 a
Icc 1Ø = 26475.4 a
13.8 KV
K4
K5
Tablero Siemens
Icc 3Ø = 11513.2 a
13.8KV
K4
Subestacion # 13
Icc 3Ø = 10564.8 a
13.8 KV
125A
Transformador T-13D
1500 KVA
13.2 / 0.46 KV
Medición
3200 A
TD-13D
0.46kv
Icc 3Ø= 20232A
1600 A
467 HP
M
CCM 13-D1
Figura 3.- Diagrama unifilar CCM 13-D1, con la ubicación del punto de medición
Página 272
Del total de mediciones se presentará uno de los casos relevantes el cual se
muestra a continuación:
CCM 13 D1
El día 14 de junio se encuentra en las mediciones que existen
elevaciones de
importancia del THD presentadas a las 9:30 a.m. con un promedio de 16.793 % lo que
se encuentra fuera de norma (15 %) según la norma IEC (Comisión electrotécnica
internacional).
Figura 4.- Mediciones de THD CCM 13 D1
La bitácora de tercer turno para dicho día muestra lo siguiente: “Se acudió al
área de efluentes a revisar la banda transportadora de lodos de la prensa, se encontró
con disparo en el interruptor termomagnético, se meggeo (medición del aislamiento
interno del motor) el equipo dando mal, se revisa motor en campo y se corrige
cortocircuito en la alimentación quedo en servicio con 3A.” De la misma manera se
muestran a continuación el resto de las mediciones del CCM 13-D1.
Figura 5.- Mediciones de Frecuencia
CCM 13 D1
Figura 6.- Mediciones de Vrms
CCM 13 D1
Página 273
Figura 7.- Mediciones de Irms
CCM 13 D1
Figura 8.- Mediciones de Tensión y Corriente
parámetros IEC y IEEE
CCM 13 D1
Figura 9.- Mediciones de fliker (Pst)
Figura 10.- Mediciones de flicker (Plt)
CCM 13 D1
CCM 13 D1
Figura 11.- Mediciones de factor K
CCM 13 D1
Figura 12.- Mediciones de F.P.
CCM 13 D1
Una vez concluidas las mediciones se procedió a su respectivo análisis y a la par se
inició con la investigación sobre la norma ISO 50001, norma en la cual la empresa
desea certificarse.
NORMA ISO 50001
ISO 50001:2011 se trata de un nuevo estándar Internacional desarrollado por ISO
(International Organization for Standardization) donde se establecen los requisitos
para la gestión adecuada de la energía, orientado a la aplicación en todo tipo de
empresas y organizaciones, grandes y pequeñas tanto del ámbito público o privado,
bien se dediquen a la provisión de servicios o a la elaboración de productos o equipos.
Página 274
Se trata pues de una orientación hacia el ahorro energético de cualquier tipo de
organización (comercial, industrial gubernamental o de cualquier tipo), pretendiendo
conseguir con su aplicación en los principales sectores económicos nacionales, una
influencia notable en el consumo de energía mundial, siendo la norma de referencia en
el Sector energético, hasta tal punto que el mismo organismo internacional apunta hacia
una reducción del consumo Energético del 60% a nivel mundial.
Principales objetivos de la norma:
•
Ayudar a las organizaciones a hacer un mejor uso en el consumo energético
contando con los activos energéticos existentes.
•
Facilitar la transparencia la comunicación sobre la gestión de los recursos
energéticos.
•
Promover las prácticas óptimas de gestión energética y reforzar el buen uso de
la energía en las pautas de gestión de una empresa.
•
Ayudar a las empresas a evaluar y priorizar la implementación de nuevas
tecnologías de eficiencia energética.
•
Promover la eficiencia energética en toda la cadena de suministro
•
Promover proyectos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero
•
Permitir la integración con otros sistemas de gestión, como medio ambiente,
Salud y seguridad.
Metodología de la norma ISO 50001
ISO 50001 se basa en el modelo genérico del sistema de gestión ISO que ya es una
referencia para cerca de un millón en organizaciones todo el mundo que ya han
implementado sistemas tales como ISO 9001 (gestión de calidad), ISO 14001 (gestión
medioambiental), ISO 22000 (seguridad alimentaria), ISO / IEC 27001 (seguridad de la
información) etc.
En particular, la norma ISO 50001 se basa en la metodología Plan-Do-Check-Act
proceso de mejora continua del sistema de gestión de la energía basado en PlanificarHacer-Verificar – Actuar.
Página 275
Figura 13.- Proceso de mejora continua de la norma ISO 50001
Figura 14.- Estructura del plan energético de la norma ISO 50001 con base en la metodología PD.
Página 276
3. Resultados
Según la norma EN 50160 de la CENELEC (Comité europeo de normalización
electrotécnica) asociada a la norma 61000-4-30 de la IEC, se encontró que las
características de alimentación en baja tensión de las subestaciones donde se realizó la
medición están dentro de norma, en la siguiente tabla se muestran los resultados:
Tabla 3.- Comparación de resultados de las mediciones del sistema eléctrico contra la norma
EN 50160
Página 277
4.- Conclusiones
En este estudio se muestra el análisis de la calidad de la energía del sistema eléctrico
de una empresa papelera, el cual arrojo que dicho sistema eléctrico tiene una buena
calidad de la energía ya que se encuentra dentro de los estándares de las Normas IEC
61000-4-30 y UNE-EN 50160 y que los niveles encontrados en las mediciones
relevantes no superan los límites marcados por dichas normas, esto debido a que aun
siendo mediciones altas no se presentan en los porcentajes de tiempo establecidos.
Dentro del proceso de mejora continua de la norma ISO 50001 (PDCA), el estudio de
la calidad de la energía seria uno de los puntos importantes a considerar dentro de
diversos puntos como:
Planificar (plan), ya que sería el punto central de la política energética ya que abarca
un gran número de aspectos a cuidar (armónicos, FP, desequilibrios, transitorios, etc.).
Dentro de la monitorización el estudio nos proporcionará la monitorización de los
parámetros eléctricos ya mencionados, los resultados arrojados por el mismo se
compararían con el grado de cumplimiento de los objetivos de la planificación
establecida por la política energética para posteriormente llevar acabo la revisión de
estos y tomar acciones de corrección y mejora que sean oportunas. También, el análisis
realizado satisface el punto establecido por la norma, donde requiere una planificación
energética dentro de la cual se establece que es necesaria una revisión energética
basándose en el análisis de consumo de energía, la identificación de las áreas de uso
significativo de la energía y la identificación y registro de oportunidades de mejora en el
desempeño energético
Finalmente podemos concluir que los niveles mínimos de calidad de la energía para
la creación de una política energética con el fin de obtener la certificación ISO 50001
son los requeridos por las normas UNE-EN 50160 y la IEEE 519-1992.
Página 278
Referencias
1. Dugan, R. C., McGranaghan, M., Santoso, S., & Wayne Beaty, H. (2003).
Electrical Power Systems Quality (Segunda ed.). México: McGraw-Hill.
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técnico Schneider, No. 199 (págs. 40-55).
3. Harper, G. E. (2008). El ABC de la Calidad de la Energía Eléctrica. México:
Limusa.
4. Harper, G. E. (2009). La calidad de la energía en los sistemas eléctricos. México:
Limusa.
5. IEEE, I. o. (1992). IEEE Standars 519. IEEE Std 519-1992.
6. IEEE, I. o. (1992). IEEE Std 1100-1992. IEEE Std 1100-1992.
7. IEEE, I. o. (1995). Authoritative Dictionary of IEEE Standar Terms. IEEE 100.
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10. Jesus, A. M., Ramirez, J. M., Cruz, O. H., & Antuñano, M. A. (2011). Calidad de
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11. Kusko, A., & Thompson, M. (2007). Power Quality in Electrical Systems. New
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12. Leal, G. M. (22 de Octubre de 2008). Simposio de Metrología 2008. Calidad de la
energía eléctrica: Camino a la Normalización, 7. Queretaro, Santiago de
Queretaro, México.
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13. Leyva, J. L. (Mayo de 2006). Apuntes de la materia Utilización de la energía.
Durango, Durango, México.
14. Manual de Normas de Ingenieros Eléctricos. (s.f.). Manual de Normas de
Ingenieros Eléctricos, 14ª edición.
15. Markiewicz, H., & Klajn, A. (Julio de 2004). Perturbaciones de Tensión: Norma
EN 50160 Caracteristicas de la tensión suministrada por las redes de
distribución.
16. Oms, R. L. (2008). Calidad de la energía eléctrica. Revista Técnica de la
Empresa de Telecomunicaciones de Cuba, S.A., 37-40.
Página 280
Control de Velocidad para un Motor de Imanes Permanentes
Efraín Villalvazo Laureano1 Marcela Monserrat Navarrete Escalante 2 Lorenzo Ortiz
Cortes 3
1, 2, 3
Universidad Tecnológica de Manzanillo – Camino hacia las humedades s/n,
Salagua, Manzanillo, Colima, México.
1
Resumen
Este trabajo presenta los resultados del diseño electrónico de un controlador de
velocidad para un motor de imanes permanentes basados en un rectificador controlado
empleando SCR´s. Comenzando de la ecuación del motor, para posteriormente
mostrar paso a paso la forma para establecer los valores de cada una de las partes que
forman el motor de imanes permanentes, con la finalidad de obtener el modelo
matemático que se implementa en el programador de software matemático SIMULINK
de MATLAB, una vez que se tienen los resultados, se diseña cuidadosamente las
partes de electrónica y de control. Asimismo se despliegan las diversas formas de la
onda obtenida de cada una de las partes del controlador y por último se presentan los
resultados del funcionamiento completo del diseño del controlador de velocidad
electrónico conectado al motor incluyendo sus parámetros y su perfil de alimentación.
Palabras claves
Electrónica de potencia, control de motores de imanes permanentes, rectificadores
controlados de silicio, modelado con MATLAB-SIMULINK.
1.-Introducción
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en
mecánica, provocando un movimiento rotatorio [1] (C., 1986). Esta máquina de corriente
continua es una de las más versátiles en la industria. Su accesible control de posición,
paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de
control y automatización de procesos. Los hay de diferentes tamaños, formas y
Página 281
potencias, pero todos se basan en el mismo principio de funcionamiento. Para el mejor
control en las aplicaciones que involucran este tipo de motores. Desde hace varios años
se han implementado controles electrónicos para el mejor aprovechamiento y eficiencia
de los mismos.
Las principales partes que forman a un motor de corriente directa son: eje,
núcleo y devanado, colector, armazón, imán permanente, tapas, escobillas y porta
escobillas [2] (H. Hayt, 2007). El motor se denomina de imanes permanentes debido a
que está compuesto de material ferromagnético altamente remanente, que se encuentra
fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo
magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el
campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de
la interacción de estos campos.
Estos controladores están basados en tiristores que forman parte de la
electrónica de potencia como SCR´s, TRIAC´s, IGBT´s entre otros; sin embargo día con
día se sigue trabajando en el mejoramiento de todos los parámetros de estos
controladores y siguen siendo muy demandados en la industria. Los IGBT´s
representan los últimos avances de la tecnología de controladores de potencia y son los
más utilizados en las nuevas aplicaciones.
El artículo se constituye por cinco secciones, en la sección I. presenta los
parámetros del diseño a realizar con el apoyo del programa MATLAB-SIMULINK, en la
sección II. se muestra el análisis del motor de imanes permanentes plasmado en
diagramas y especificaciones, la sección III. muestra la conjetura de los cálculos del
rectificador que se implementara en el proyecto, para completar el diseño la sección IV.
trata de la comprobación, mostrando los resultados obtenidos de las ondas y semiondas
plasmadas en las representaciones esquemáticas correspondientes y para concluir en
la sección V. se amplía la visión a la implementación de trabajos futuros, siendo como
siguiente paso la construcción del proyecto en físico.
Página 282
2.-Desarrollo
Parámetros para el diseño
En la actualidad la mayoría de las diferentes investigaciones y diseños de ingeniería
se auxilian de múltiples simuladores electrónicos para reducir costos e incrementar la
calidad de los mismos; ya sea para el análisis matemático o para alguna de las áreas
específicas como: el diseño mecánico, diseño eléctrico, diseño de electrónica de
potencia entre otros.
Todos estos resultados que se arrojan con estos simuladores prácticamente
idénticos a los resultados que se obtienen con elementos físicos; claro está, para
igualar o aproximar estos a los reales, se deben tomar para las simulaciones
parámetros de elementos del mundo real para posteriormente alimentar los datos de los
simuladores.
Este diseño del controlador electrónico para un motor de imanes permanentes
los datos se tomaron de la placa de un motor real de imanes permanentes, para
alimentar a MATLAB-SIMULINK, los datos se muestran en la tabla 1.
Parámetro
Valor
Parámetro
Valor
Corriente sin carga
4A
Corriente de pico
400A
Constante de torque
0.0141 Nm/A
Potencia
7.1 kW
Constante de velocidad
62 rpm/V
Velocidad
3720 rpm
Resistencia de la armadura
7Ω
Voltaje
60V
Inductancia de la armadura
18µH
Corriente
140 A
Inercia de la armadura
0.0236 kg m2
Torque
18.2 Nm
Potencia de pico
21kW
Tabla I. Parámetros del motor
Página 283
Por otra parte también considera la frecuencia y los voltajes del sistema eléctrico
nacional de 60Hz. y 127 Vca con la finalidad de lograr los resultados de las
simulaciones lo más cercanos a los reales. Este trabajo está en la etapa de simulación y
posteriormente con base a los resultados obtenidos se pretende construir un prototipo
para validar la simulación y asegurar la calidad del controlador.
Análisis de la Ecuación del motor de imanes Permanentes
En la figura 1 muestra el circuito equivalente de un motor de imanes
permanentes, del que se parte para iniciar el modelo matemático [1] (C., 1986).
Ra
Laa
Km Wm
Vt
Figura 1 Equivalente de motor de imanes permanentes.
Empleando la ley de voltajes de Kirchhoff se determina [3] (H. H. W., 2007)
dIa
dt
1
= L (Vt -Ia Ra -Km1 ωm )
(1)
aa
Donde:
W m=
Torque de carga
Ia=
Corriente de armadura
Laa= Inductancia de armadura
Ra=
Resistencia de armadura
Vt=
Km1=
Torque constante
t=
Tiempo
Voltaje de entrada
Este motor se representa en MATLAB-SIMULINK como se muestra en la figura 2.
7
Ra
6
I
Constant
-K-
1/s
-K-
1/(Laa) Integrator
Km
Scope
km1
-K-
1/s
-K-
Integrator1
1/J
-KBm
0
TL
Figura 2 Motor de imanes permanentes en Matlab-Simulink.
Página 284
Al integrar se obtiene la corriente Ia, para posteriormente obtener la corriente en
armadura; después en punto de suma marcado como (A), se suman algebraicamente
con el voltaje de 6V que proviene del bloque llamado constante y que representa a Vt,
obteniéndose (2).
Vt -Ia Ra
(2)
Del punto B que proviene del bloque de ganancia km1 se obtiene el siguiente
término (3):
Km1 ωm
(3)
Que al sumarlos algebraicamente en el punto de suma se adquiere (4):
(Vt -Ia Ra -Km ωm )
El último paso es multiplicar todo por
1
Laa
(4)
en el bloque de ganancia marcado con
el punto verde. Para tener la solución a bloques de que se presentan en la ecuación (1).
dIa
dt
1
= L =(Vt -Ia Ra -Km ωm )
(5)
aa
De manera análoga se realiza la segunda parte para la obtención (6) que se
muestra a continuación; sólo se debe considerar que siempre se debe iniciar con bloque
de integración, en esta nueva ecuación se determina primero la velocidad del motor,
para posteriormente realizar el diagrama a bloques correspondiente como se visualiza
en la figura 2.
dωm
dt
1
= J (Te -TL -Bm ωm )
Donde:
dwm=
Derivada
dt=
Derivada de tiempo
TL=
Corriente
J=
Constante de inercia
Bm=
Constante
Te=
Inductancia
W m=
Torque de la carga
(6)
Página 285
Cálculos del Rectificador
Los diodos se utilizan en forma extensa en los rectificadores. Un rectificador es un
circuito que convierte una señal de ca en una señal unidireccional. Dependiendo de la
clase del suministro de entrada, los rectificadores se clasifican en monofásicos y
trifásicos, estos a su vez son de media onda y onda completa. Los rectificadores
trifásicos se utilizan frecuentemente en aplicaciones de alta potencia y pueden operar
con o sin transformador y a su vez pueden ser controlados y no controlados.
Para calcular el controlador de voltaje es necesario utilizar (7) y solo se debe
definir el ángulo de disparo para restarlo del voltaje total de Vcd. De (8) hasta (11) se
muestran los pasos para el cálculo del controlador con un ángulo de disparo de 90
grados que al final arroja un valor de 0.3179Vm.
Si se desea realizar cualquier otro cálculo para otro valor del ángulo de disparo
basta con seguir cada uno de los pasos que se muestran de (8) hasta (11).
Ecuación general para determinar el voltaje Vcd de un rectificador de onda
completa está en (7).
2
T
Vcd= T ∫02 Vm(sin 𝜔𝜔𝜔𝜔)(dt)
(7)
A la ecuación general se le debe sustraer el disparo de 90 grados como se
observa en (8).
2
2π
2
π
Vcd= 2π ∫02 Vm(sin 𝜔𝜔𝜔𝜔)(𝑑𝑑𝑑𝑑)- 2π ∫02 Vm(sin 𝜔𝜔𝜔𝜔)(dt)
(8)
Se realiza la integración de la ecuación permaneciendo el límite como se
muestra en (9).
π
π 1
1
Vcd= π Vm[− cos 𝜔𝜔𝜔𝜔] � - π Vm�- cos 𝜔𝜔𝜔𝜔�02
0
(9)
Página 286
Posteriormente se sustituyen los límites (10).
Vcd=-
Vm
π
1
𝜋𝜋
[cos 𝜋𝜋 − cos 0]+ Vm �cos − cos 0�
π
2
(10)
Finalmente se obtiene el valor del voltaje Vcd en (11).
Vcd=
2Vm
π
=0.2928Vm=0.3179Vm
(11)
Los componentes del puente rectificador se determinan mediante el uso de la
tabla 2; estos valores son correspondientes a los valores de cualquier rectificador de
voltaje controlado o no controlado tipo puente, considerando que los valores más
críticos de un rectificador controlado suceden cuando el ángulo de conducción es igual
al cien por ciento del total de la onda y los valores inversos máximos sucede cuando los
elementos rectificadores están polarizados inversamente.
Parámetro
Valor
Voltaje de pico inverso repentino VRMM
1.57 VCD
Voltaje rms de entrada por secundario del transformador VS
1.11 VCD
Corriente promedio en cada diodo, IF(PROM)
0.5 ICD
Corriente de pico repentina en sentido directo, IFRM
1.57 ICD
Factor de forma de la corriente por el diodo
1.57
Razón de rectificación
0.81
Factor de forma, FF
1.11
Factor de Rizo, FR
0.482
Capacidad del primario del transformador, VA
1.23PCD
Capacidad del secundario del transformador, VA
1.23PCD
Frecuencia de salida, f
2fS
Tabla II. Parámetros para el Cálculo del Rectificador
Página 287
Una vez calculados los elementos del rectificador se construye el circuito con
estos valores como se muestra en la figura 3.
m
k
powergui
g
a
+-i
m
k
Indicador
g
a
Continuous
T1
T2
g
a
Al controlador
>=
Disparo
positivo del controlador
T3
g
a
m
k
T4
+v
-
m
k
Carga
VCA
>=
Disparo
negativo del controlador
Fig. 3. Rectificador controlado.
Solo se debe considerar que el ángulo de disparo se consigue por medio del
circuito controlador que se muestra en la figura 4.
Control para el motor de imanes permanente.
Con la finalidad de tener un control muy preciso sobre el ángulo de disparo; se diseñó
este circuito con un rango de trabajo de cero a ciento ochenta grados, donde la mayor
potencia que se transfiere a la carga es colocando un cero en el disparo y la menor
potencia se obtiene con el ángulo de disparo de ciento ochenta grados.
Para lograr el control se reduce el voltaje de entrada a un valor diez veces menor
con la finalidad de colocarlo en el comparador para detectar exactamente el cruce por
cero de la onda del voltaje alterno; como se puede observar en la figura 4 está
comparación se realiza para el semíciclo positivo y para el semíciclo negativo, solo
cambiando uno de los signos del bloque comparación que está en color naranja.
Por otra parte se cuenta con el bloque de integración que está en color azul en el
que su salida está en función de (12), que permite la generación de una rampa como se
muestra en las figuras 7 y 8, sólo que es necesario resetear este bloque
automáticamente para evitar la saturación de la salida y de no hacerse el reseteo se
generaría una señal creciente con el tiempo en forma de rampa a la salida sin
Página 288
detenerse; puesto que una integral es una suma sucesiva se incrementaría la señal
idealmente hasta el infinito.. En la práctica ocasionaría una saturación del circuito
integrador, dando como salida el voltaje de alimentación del dispositivo, por lo general
estos circuitos para la generación de rampas se realizan a través de amplificadores
operacionales.
𝑡𝑡
Reductor 0.1
de voltaje
>=
0
Cruce
por cero
Cero
90
Grados de
disparo
𝑦𝑦(𝑡𝑡) = ∫𝑡𝑡 𝑢𝑢(𝑡𝑡)𝑑𝑑𝑑𝑑
(12)
0
Gen
para rampa
10
Ajuste de
la rampa
1
s
>=
Disparo
positivo
10
<=
1
>=
s
Ajuste
de
Cruce
Disparo
por cero1 la rampa1 Gen de rampa
negativo
0
Cero 1
1/2219
Ajuste de grados
Fig. 4. Controlador de disparo y generador de rampa.
La figura 4 tiene disparos positivo y negativo; cada uno corresponde al disparo
de un par de SCR’s, un par para controlar el semíciclo positivo y el otro para el
semíciclo negativo. También se establecen dos cruces por cero para realizar el cambio
de los disparos de control en cada uno de los semíciclos.
La figura 5 se muestran los resultados de
la simulación del controlador de voltaje con su
puede visualizar claramente que el voltaje inicial
es prácticamente el de entrada, solo que está
rectificado y considerando que las caídas de
Voltaje de Carga
máximo aprovechamiento en la carga, donde se
150
100
50
0
-50
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Tiempo en segundos
0.025
0.03
tensión de los componentes del circuito son
mínimas, se puede decir que ambos valores de
Fig.5 Formato de onda con 0 grados.
voltaje máximo son idénticos.
Página 289
Volltaje en la Carga
150
100
Teniendo la mitad del rango del
50
ángulo de disparo se adquiere la mitad de
0
potencia en la carga, el resultado de esta
-50
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Tiempo en Segundos
0.025
0.03
simulación se muestra en la figura 6.
Fig.6 Formato de onda con 90 grados.
80
Voltaje de Carga
60
40
Por último se demuestra en la figura
20
7 que a mayor ángulo de disparo se
0
transfiere menor potencia a la carga.
-20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Tiempo en Segundos
0.025
0.03
Voltaje de disparo
Fig. 7 Formato de onda con 150 grados.
Para mejor control del encendido de
0.1
los tiristores, se genera una señal tipo
0.05
rampa para realizar la comparación con el
0
0
0.01
0.03
0.04
0.02
Tiempo en segundos
0.05
valor deseado, esto se muestra en la figura
8.
Fig.8 Forma de onda del generador rampa.
Los efectos en la velocidad del motor a diferentes ángulos de disparo se
muestran en las figuras 9-14. Con esto se demuestra que hay una variación de la
velocidad del motor dependiendo del tiempo en el encendido de los tiristores.
Página 290
Velocidad del motor
Velocidad del motor
2500
2000
1500
1000
500
0
0
0.2
0.8
0.6
0.4
Tiempo en segundos
1
2500
2000
1500
1000
500
0
0
0.2
0.4
0.6
Tiempo en segundos
0.8
1
Fig.10 Voltaje en el arranque del motor sin
Fig.9 Voltaje en el arranque del motor con 0 grados
2000
Velocidad del motor
Velocidad del motor
rampa 0 grados
1500
1000
500
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Tiempo en segundos
1
1000
500
0
0
Velocidad del motor
Velocidad del motor
1000
500
0.4
0.6
0.8
Tiempo en segundos
1
rampa con 45 grados.
grados.
0.2
0.4
0.6
0.8
Tiempo en segundos
Fig.11 Voltaje en el arranque del motor con 45
0
0
0.2
1
Fig.13 Voltaje en el arranque del motor con 90
2000
1000
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Tiempo en segundos
1
rampa 90 grados.
grados.
3. Resultados
Trabajo Futuro
El siguiente paso de este trabajo de investigación es la construcción física del
controlador empleado para controlar un motor de imanes permanentes aplicándole
diferentes cargas y voltajes de alimentación. Adicionalmente se pretende diseñar un
control de lazo cerrado para mejorar las características de desempeño.
Página 291
4. Conclusiones
Los simuladores electrónicos en cualquier rama de la ingeniería son una herramienta
altamente confiable para el diseño de prototipos antes de su construcción.
Los rectificadores controlados son efectivos y confiables para el control de
velocidad de motores de imanes permanentes.
La velocidad de los motores de imanes permanentes depende directamente del
voltaje de alimentación.
El controlador diseñado tiene buena calidad en cuanto a precisión y exactitud.
Referencias
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F., R. (2012). Matlab Aplicado a Robótica y Mecatrónica. Mexico: Alafaomega.
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H., R. M. (2004). Electronica de Potencia. In R. M. H., Electrónica de Potencia (pp. 68102). Mexico: pearson y prentice hall.
N., M. (2009). Electrónica de Potencia Convertidores y Aplicaciones de Diseño. Mexico:
McGraw-Hill.
N., M. (2009). Power Electronics. Mexico: McGraw- Hill.
Sandoval, R. (2009). Municipios: Dinero y TIC. Portal Ciudadano. México: Reforma.
Página 292
Análisis de turbinas eólicas de eje vertical con álabes helicoidales y
perfil alar asimétrico
Jorge Alejandro Arias Correa1; Emilio Augusto Álvarez García2
1,2
Universidad Tecnológica de Campeche – Carretera Federal 180 SN, San Antonio
Cárdenas, Carmen, Campeche, 24381. México
1
[email protected], [email protected]
Resumen
La presente investigación estudia el comportamiento de una turbina de eje vertical para
la cual se desarrolló un perfil asimétrico a partir de un perfil NACA (National Advisory
Committee of Aeronautics) 0018. El análisis realizado muestra su desempeño frente a
otras turbinas de características similares que utilizan un perfil simétrico.
Primero, se describe la metodología de diseño para el estudio del perfil UTC 13W-14, y se realiza una comparación con perfiles parecidos así como su aplicación en la
turbina helicoidal de 4 álabes, cuyos resultados muestran una mejora significativa de la
eficiencia de este tipo de turbinas.
Palabras claves
Turbinas eólicas de eje vertical, perfil alar, Simulación.
1. Introducción
Las turbinas eólicas de eje vertical son un amplio campo de investigación para diversas
áreas de la ingeniería, ya que a pesar de sus grandes ventajas, enfrentan entre algunos
otros, los siguientes problemas: Alta emisión de ruido, dificultad para arrancar por ellas
mismas o en su defecto la necesidad de altas velocidades de viento para ello, además
de altas tensiones en la estructura. Para dar soluciones a dichos problemas, se han
hecho gran variedad de diseños, que además buscan la máxima eficiencia.
Este trabajo expone los resultados teóricos de una turbina helicoidal de tipo
Gorlov de 4 álabes, con perfil alar asimétrico basado en el NACA 0018.
Página 293
Los dos principales criterios para este diseño son: capacidad de arrancar por sí
misma, y que además su coeficiente de eficiencia sea elevado, cercano o mayor a 0.4.
Estos criterios están basados en la búsqueda de una turbina con dimensiones
reducidas para su aplicación en zonas tanto urbanas, como rurales y que sea capaz de
ofrecer valores cercanos a 1kW.
La geometría de una turbina basada en el principio de sustentación permite
abarcar una mayor área de barrido con poco material. Este concepto fue introducido
con la patente de Darrieus, cuya turbina (ilustrada en la figura 1.1) presenta dificultades
de construcción por tener la forma de tipo Troposkein, e imposibilidad de arrancar por sí
misma.
Figura 1.1. Turbina eólica de eje vertical del tipo Darrieus con forma Troposkein.
Fuente: Paraschivoiu, (2002) .
El modelo de Gorlov (mostrado en la figura 1.2) posee la cualidad de siempre
tener una parte del rotor perpendicular a la incidencia del viento, lo cual facilita el
arranque, además de distribuir la fatiga producida al girar.
Página 294
Figura 1.2. Turbina eólica de eje vertical del tipo Gorlov.
Fuente: Arias Correa, Jorge Alejandro.
2. Desarrollo
Geometría de la turbina
Hay poca información relacionada con turbinas eólicas verticales de esta índole, ya que
el concepto de un rotor tipo Darrieus con álabes helicoidales, fue creado en 1990 para
ser aplicado a turbinas hidráulicas eco-amigables que evitaran la muerte de peces.
Sin embargo, estudios posteriores como el descrito por Anderson et al., (2011) [1],
demuestran que la propuesta de Alexander Gorlov presenta la ventaja de disminuir la
fatiga del rotor producida al girar, además de facilitar el arranque por sí misma.
Sin embargo, para garantizar el arranque por sí sola, la turbina debe cumplir la
condición de solidez: σ=0.4.
Por lo tanto, dada la fórmula:
𝜎𝜎 =
𝐵𝐵𝐵𝐵
𝜋𝜋𝜋𝜋
Página 295
Donde:
B= número de álabes
c=longitud de la cuerda en metros (m)
d= diámetro del rotor en metros (m)
La turbina aquí propuesta tiene un diámetro de 1m, 4 álabes y cuerda de .32m,
presentando una solidez σ=0.4074.
El ángulo de hélice de 60° fue determinado en base a los estudios de Shio et. al en su
trabajo titulado “Output Characteristics of Darrieus Water Turbine with Helical Blades for
Tidal Current Generations” [2], donde de acuerdo a los resultados obtenidos durante su
procedimiento experimental, la mayor eficiencia se logra en ángulos cercanos a los 60°.
Por último, la potencia va en función del área de barrido, que en esta ocasión se
obtiene fácilmente al multiplicar el diámetro del rotor, por la altura del mismo; siendo
ésta última de 2m. Por lo tanto el Área de barrido es de 2m2.
Diseño del Perfil Aerodinámico
El régimen de viento al que operará la turbina es turbulento, para lo cual es ideal utilizar
un perfil NACA de 4 cifras, diseñados para operar con este régimen. Sin embargo,
desde su invención, las turbinas de eje vertical que trabajan bajo el principio de
sustentación, han utilizado perfiles simétricos mayormente. Incluso las hélices de los
helicópteros aún continúan haciendo uso de ellos a pesar de haber sido inventados en
la década de los 30´s, tal y como nos relata J. D. Jr Anderson, (2001) [3].
Sin embargo, es poca la información relacionada a turbinas que operan con un perfil
alar asimétrico. La principal razón es la complejidad que adquiere el estudio de éste tipo
de perfiles y el comportamiento inestable que presenta en muchos casos. Sin embargo,
con modificaciones en el diseño del perfil es posible aumentar el coeficiente de
sustentación, y por ende la eficiencia, además de mejorar el desempeño en ángulos de
ataque negativos.
Página 296
De acuerdo al trabajo de Claessens, (2006) [4] se recomienda un perfil alar que
mantenga un bajo coeficiente de arrastre a lo largo de un amplio número de ángulos de
ataque. Además, es necesario que dicho perfil genere la fuerza necesaria para mover la
turbina a bajas velocidades de viento.
Tomando como referencia el NACA 0018, es modificado por medio del aumento en la
cámara al 3% y reduciendo el grosor a un valor poco mayor del 14%. En la figura 2.1 se
puede apreciar la geometría del perfil y algunas de sus características a 6° AoA.
El nombre de este perfil, acorde a lo mencionado por Claessens [4], es dado por los
lineamientos de la Facultad de Ingeniería Aeroespacial, y es: UTC 13-W-14. Siendo
UTC las siglas de Universidad Tecnológica de Campeche, 13 el año en el cuál se
desarrolló, W la letra indicadora para aplicación en turbinas de viento, y 14 el grosor
máximo.
Figura 2.1. Geometría y características del perfil UTC-13-W-14.
Análisis numérico DMS
El análisis numérico es realizado debido a su bajo costo y accesibilidad, además de
ser más rápido de ejecutar y modificar. Se desarrolla mediante el software libre QBlade,
que utiliza las mismas técnicas empleadas en la ingeniería aeroespacial. Es un proyecto
basado en el código fuente de XFOIL, realizado en la Universidad Tecnológica de Berlín
por el departamento de Mecánica de fluidos experimental, bajo el mando del Profesor
Christian Oliver Paschereit. Si desea conocer más sobre este software, se puede
consultar Marten & Wendler, (2013) [5].
Página 297
Para la resolución de cálculos de las turbinas de eje vertical, QBlade utiliza el método
propuesto por Paraschivoiu, (2002) [6] denominado Double-Multiple Streamtube model.
Mediante el mismo, es posible conocer la energía captada por la turbina a través de un
modelo matemático que permite conocer el comportamiento del perfil por todo el
perímetro de giro.
3. Resultados
De acuerdo al perfil UTC 13-W-14, su similar en la serie NACA de 4 cifras es el nosimétrico 3514, por lo cual, la figura 3.1 muestra una gráfica comparativa de coeficiente
de sustentación (Cl) contra Coeficiente de arrastre (Cd) entre NACA 3514, NACA 0018
y UTC 13-W14.
Figura 3.1. Tabla comparativa Cl vs Cd.
Página 298
El perfil UTC 13-W14 destaca por encima del NACA 0018 y 3514, teniendo mayor
coeficiente de sustentación. Además, el coeficiente de aprovechamiento o eficiencia Cp
de la turbina utilizando este perfil, en función de la relación de velocidad periférica
(TSR); es apreciado en la figura 3.2 Notando que el máximo coeficiente de
aprovechamiento se alcanza a un TSR de 2.5.
Figura 3.2. Relación de velocidad periférica vs Coeficiente de aprovechamiento.
Página 299
Por último, en comparación con una turbina de las mismas características, pero bajo
el perfil simétrico NACA 0018 comúnmente utilizado, el comportamiento es muy similar,
pero más estable en altas velocidades, como nos indica la figura 3.3:
Figura 3.3. Relación de velocidad de viento vs Potencia generada (en Watts).
4. Conclusiones
1.- El perfil alar UTC 13-W-14 presenta un mejor aprovechamiento de la energía del
viento, con estabilidad similar a los perfiles simétricos turbulentos, lo que difiere del
comportamiento de perfiles asimétricos convencionales. Además de ser más resistente
a rachas de viento mayores a los 20 m/s.
2.-El máximo aprovechamiento para el perfil UTC 13-W-14 se obtiene a un ángulo de
ataque de 6°, logrando una eficiencia del perfil Cl/Cd= 98.758.
3.-La turbina es capaz de arrancar por sí misma y su coeficiente de aprovechamiento
supera el 0.40 planteado en su diseño.
Página 300
4.-La relación longitud-espesor considerada en el diseño del perfil UTC 13-W-14
satisface las condiciones de resistencia y rigidez para el régimen de explotación de la
turbina e incluso su rango de velocidad de viento es mayor al presentado por el perfil
simétrico NACA 0018.
5.-Constructivamente hablando, es una turbina muy difícil de manufacturar debido a la
forma curva de sus álabes, pero se ve retribuido con el hecho de tener esfuerzos
estructurales muy bajos, lo cual se refleja en vibraciones mínimas, baja emisión
acústica y por ende, mayor vida útil.
Referencias
[1] Anderson, J., Stelzenmuller, N., Hughes, B., Johnson, C., Taylor, B., Sutanto, L.,
Mcquaide, E., et al. (2011). Capstone Project Report : Design and Manufacture of a
Cross-Flow Helical Tidal Turbine (p. 143).
[2] Mitsuhiro Shiono, Katsuyuki Suzuki, and Seiji Kiho. Output characteristics of Darrieus
water turbine with helical blades for tidal current generations. In Proceedings of the
Twelfth (2002) International Offshore and Polar Engineering Conference, 2002.
[3] Anderson, J. D. J. (2001). Fundamentals of Aerodynamics (3rd ed., p. 912). McGrawHill.
[4] Claessens, M. C. (2006). Masters Thesis: The Design and Testing of Airfoils for
Application in Small Vertical Axis Wind Turbines.
[5] Marten, D., & Wendler, J. (2013). QBlade Guidelines.
[6] Paraschivoiu, I. (2002). Wind Turbine Design with emphasis on Darrieus Concept.
Página 301
Análisis de depreciación de iluminación con Tecnología LED para
Aula a un año
José Luis Viramontes Reyna1 José Guadalupe Montelongo Sierra2
Martha Haydee Carolina Sánchez Muñiz3
1,2,3
Universidad Tecnológica de San Luis Potosí, Prol. Av. De las Américas #100,
Rancho Nuevo, Soledad de Graciano Sánchez, S.L.P, 78430. México
1
Resumen
A un año del primer análisis de la investigación realizada con el propósito de mostrar
características técnicas de lámparas con tecnología LED de 17 W que pueden sustituir
a lámparas fluorescentes T-8 de 32 W, se muestran en este documento los resultados
obtenidos en depreciación de iluminación, comportamiento de la distorsión armónica,
bajo la consideración que el costo-beneficio para establecer ventajas y desventajas del
uso de tecnología LED en iluminación, considerando la normatividad vigente de la
NOM-025-STPS-2008 para la tarea visual que se requiere en un área de lectura y
escritura, siguen siendo los mismos establecidos en el análisis anterior.
Así también, como apoyo al desarrollo de la investigación, se utilizó la aplicación de la
búsqueda bibliográfica base de datos y hemerografía de fichas técnicas para registro de
instrumentos de evaluación de las competencias profesionales del programa educativo
“Procesos Industriales área de Manufactura e Ingeniería en Procesos Productivos” de la
UTSLP-CA-2 optimización de sistemas productivos, enfocado al proyecto “Diseño y
desarrollo de instrumentos de evaluación de aprendizaje por competencias del TSU,
mediante la generación de un software y plataforma virtual”. Con lo cual se muestra que
las herramientas desarrolladas para una investigación específica, también es aplicable
a otras áreas de la investigación.
Página 302
Palabras claves
Tecnología LED, Ahorro de energía, Armónicos, evaluación por competencias,
plataforma virtual.
1. Introducción
Actualmente en México y en el planeta, se vive una situación sobre el calentamiento
global generada por altas emisiones de contaminantes que están siendo enviadas al
aire, agua y tierra; por lo que es urgente el tomar medidas para mejorar las condiciones
ambientales en nuestro planeta.
Los nuevos métodos para ahorro de energía no solo se van a reflejar en
reducción de costos para el usuario a mediano plazo, si no también, en la emisión a la
atmosfera de contaminantes, la cual contribuye de forma importante al cambio climático
que actualmente estamos cruzando a nivel mundial. Por desgracia, la tecnología con la
que se cuenta sigue siendo de un costo elevado para la mayoría de las personas, por lo
que se espera que en un mediano plazo se reduzcan para incentivar su uso.
En este estudio se muestran los resultados obtenidos a un año de operación al
aplicar tecnología LED para iluminación a un aula de clases, indicando las ventajas y
desventajas, depreciación lumínica, costos y beneficios, así como tiempos de
recuperación ante inversiones en sistemas de ahorro de energía utilizando costos
actuales. Así también se muestra el ahorro en hidrocarburos, mostrando datos
interesantes para todas las personas preocupadas por tener un mejor futuro ambiental.
De manera simultánea para esta investigación, se aplica el software de búsqueda
bibliográfica que se está aplicado en la red de colaboración entre Cuerpos académicos
de investigación educativa que se cuenta entre la Universidad Tecnológica de San Luis
Potosí y la Universidad Tecnológica de San Juan del Rio, cuyo proyecto es “DISEÑO Y
DESARROLLO DE INSTRUMENTOS PARA LA EVALUACIÓN DE APRENDIZAJE
POR COMPETENCIAS DEL TSU, MEDIANTE LA GENERACIÓN DE UN SOFTWARE
Y PLATAFORMA VIRTUAL”, de UTSLP-CA-2-Optimización de Sistemas Productivos.
Página 303
Considerándolo como un buen instrumento de búsqueda y su aplicación real en un
proceso de investigación.
2. Desarrollo
Para el análisis de ahorro de energía y estudio de iluminación, fueron necesario la
selección de dos aulas académicas con condiciones idénticas en dimensiones, por la
cual se consideró la misma: altura de montaje de luminarias, mobiliario, orientación
geográfica del aula.
Para este estudio se tomó la decisión de seleccionar aulas ubicadas en el edificio
F de docencia, denominadas F8 Y F9, ambos cuentan con 6 luminarios de 2 por 32 W
T-8 4100°K con balastro electrónico.
Para el análisis se tomó como aula de prueba piloto el salón F9, fue instalada
tubos de tecnología LED tipo T-8 cuyas características se mencionan en la tabla 1.
Voltaje de entrada
Potencia
Frecuencia
Temperatura de color
Balastro
Longitud
Flujo luminoso
Vida en horas
85-265 V AC
17W
50/60 Hz
5800-6400 °K
Sin balastro
1219.2 mm
1200 lm
30000 a 50000 horas
Fuente: Tubos T8 para sustitución de tecnología fluorescente a LED, Tecnología esencial S.A. C.V.
Tabla 4. Característica T-8 Fluorescente
Para el salón F8, que es el punto de comparación con F9, se dejó las mismas
lámparas fluorescentes T-8 cuyas características son las siguientes:
Voltaje de entrada
Potencia
Frecuencia
Temperatura de color
Balastro
Consumo de balastro
127 V AC
32 W
60 Hz
4100 °K
Con balastro electrónico
6W
Página 304
Longitud
Flujo luminoso
Vida en horas
1219.2 mm
2850 lm
20000
Fuente: Catálogo de productos 2007, General Electric.
Tabla 2. Característica T-8 Tecnología LED
El luminario y los difusores son de características idénticas en ambos casos.
Las dimensiones de la aula académica son: 9.1 m. por 4.7 m., la altura del aula
es de 2.5 m., la altura del plano de trabajo es de 0.75 m., la altura de la luminaria con
respecto al plano de trabajo es de 1.75 m., nivel de iluminación mínimo requerido es de
300 LUX conforme a la tabla 1 de la NOM-25-STPS-2008 [1], Considerando que el
número máximo de personas dentro del aula será de 26.
De acuerdo a las características para su análisis se consideraron los siguientes:
a) Nivel de iluminación
Se evalúa el nivel de iluminación conforme al apéndice A de la norma NOM-25STPS-2008, evaluación de los niveles de iluminación.
El valor del índice de área, para establecer el número de zonas a [2], está dado
por la ecuación siguiente:
(𝑥𝑥)(𝑦𝑦)
𝐼𝐼𝐼𝐼 =
ℎ(𝑥𝑥 + 𝑦𝑦)
𝐼𝐼𝐼𝐼 = Í𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 á𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟
Donde
𝑥𝑥, 𝑦𝑦 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑦𝑦 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎ℎ𝑜𝑜 (𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚)
ℎ = 𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑙𝑙𝑙𝑙 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖ó𝑛𝑛 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
Índice de área A)
Número mínimo de zonas a evaluar
4
9
16
25
IC < 1
1 < IC < 2
2 < IC <
3 < IC
B) Número de zonas a considerar por la
limitación
6
12
20
30
Fuente: NOM-25-STPS-2008
Tabla 3: A1 Relación entre el índice de Área y el número de Zonas de Medición
Página 305
Al realizar los cálculos se obtiene que el número de zonas a evaluar son: 9
(Tabla 3)
La localización de los puntos de medición para evaluar conforme a A.2.3 de la
norma mencionada se establece en la figura 1.
Figura 1. Ubicación de puntos de medición
Para eliminar la aportación de la iluminación natural, las mediciones se realizaron
en horario de 21:00 a 22:00 hrs.
b) Consumo energético
Se utilizó un analizador de redes eléctricas marca Fluke modelo 41B con
certificado de calibración número GL-90037, realizando las mediciones de potencia real,
aparente y reactiva, así como también del factor de potencia, voltaje de alimentación y
corriente consumida, cuyos valores que son mostrados en la tabla 3.
Lo anterior se realizó para cada una de las aulas en estudio de forma
independiente.
Página 306
c) Distorsión armónica
Para realizar esta medición se utilizó el mismo equipo analizador de redes
eléctricas, descrito en el punto anterior, donde se obtiene la distorsión armónica tanto
en voltaje como en corriente de las componentes: 3ª, 5ª, 7ª, 9ª, 11ª y 13ª armónica,
medidas en las aulas utilizadas para el estudio.
d) Análisis costo-beneficio
Para este análisis se considera un tiempo de encendido semanal de 52 horas,
teniendo un total de 45 semanas al año efectivas de uso, dando un total de 2340 horas
al año con tarifa horaria en media tensión (HM).
3. Resultados
Considerando el desarrollo de la investigación, se llegó a los siguientes resultados.
a) Las tablas comparativas de las mediciones del nivel de iluminación, en los 9
puntos por aula sugeridos a través del cálculo (figura 1), se muestran a
continuación con la fecha de realización de las mediciones.
Salón F9 (Tecnología LED)
Salón F8 (Lámparas Fluorescentes)
18/05/2012 24/05/2013
Punto de
medición
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Promedio
Nivel de iluminación
429
529
383
483
572
414
460
561
379
468.44
430
518
403
476
564
439
462
545
403
471.11
18/05/2012
Punto de
medición
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Promedio
24/05/2013
Nivel de iluminación
609
568
741
702
588
826
641
553
752
664.44
579
538
693
653
571
792
605
553
742
636.22
Tabla 4 y 5: Nivel de iluminación (LUX)
Página 307
b) En lo referente al consumo energético en ambas aulas, se obtuvieron los
siguientes datos:
Parámetro
Salón F9
Salón F8
18/05/2012
130.7 V
130.7 V
179.5 V
179.5 V
1.54 A
3.23 A
1.93 A
4.57 A
200 W
420 W
203 VA
420 VA
Voltaje RMS
Voltaje pico
Corriente RMS
Corriente pico
Potencia Real
Potencia
Aparente
Potencia Reactiva
Factor
de
Potencia
Horas
de
operación anual
Consumo
de
energía
(KWH/año)
Ahorro de energía
Salón F9
Salón F8
24/05/2013
130.2 V
130.1 V
179 V
179.4 V
1.6 A
3.08 A
1.98 A
4.57 A
204 W
400 W
207 VA
400 VA
17 VAR
0.98
0 VAR
1
15 VAR
.98
0 VAR
1
2340
2340
2340
2340
468
982.8
477.36
936
514.8 KWH/año
458.64 KWH/año
Tabla 3. Consumo energético en salones F9 y F8
c) La distorsión armónica de voltaje y corriente en aulas (F8 y F9), se tiene
como resultados de medición:
3
2
1
0
Armónicos de voltaje
(%)
(%)
(%)
Armónicos de
voltaje (%)
3°
5°
7°
9°
11°
13°
% F9 0.3
2.3
1.5
0.2
0.2
0.2
% F8 0.3
2.1
1.7
0.2
0.2
0.1
3
2
1
0
3°
5°
7°
9°
11°
13°
% F9
0.2
2.5
0.9
0.2
0.2
0.2
% F8
0.1
2.3
1
0.2
0.2
0.2
Figura 2: Izquierda 2012, Derecha 2013
Página 308
(V)
4
4
3
3
Volts
Volts
(V)
2
1
0
3°
5°
7°
9°
11°
13°
V F9 0.2
3.1
2
0.3
0.3
0.3
V F8 0.4
2.8
2.1
0.3
0.2
0.2
2
1
0
3°
5°
7°
9°
11°
13°
V F9
0.3
3.2
1.3
0.2
0.1
0.3
V F8
0.2
3
1.3
0.2
0.3
0.3
Figura 3: Izquierda 2012, Derecha 2013.
20
15
10
5
0
Armónicos de
corriente (%)
(%)
(%)
Armónicos de
corriente (%)
3°
20
15
10
5
0
5°
7°
9°
11°
13°
% F9 14.9
5.1
3.2
1.7
1
0.9
% F9 15.4
% F8 4.7
3.9
0.7
1
0.8
0.4
% F8
3°
5
5°
7°
9°
11°
13°
5.2
2.8
1.6
1.4
1
4
1
1
0.7
0.3
11°
13°
Figura 4. Izquierda 2012, Derecha 2013
0.4
0.3
0.2
0.1
0
3°
5°
7°
9°
Armónicos de
corriente (A)
11°
13°
Amperes
Amperes
Armónicos de
corriente (A)
0.3
0.2
0.1
0
3°
5°
7°
9°
% F9 0.23 0.08 0.05 0.03 0.02 0.01
% F9 0.24 0.08 0.04 0.03 0.02 0.01
% F8 0.31 0.25 0.04 0.07 0.06 0.03
% F8 0.15 0.12 0.03 0.03 0.02 0.01
Figura 5: Izquierda 2012, Derecha 2013
Página 309
La distorsión armónica total en cada aula se obtiene:
%THD V
2.7
2.7
F8
F9
%THD I
6.4
16.4
Tabla 4. Porcentaje de distorsión armónica total
d) Análisis costo-beneficio
De acuerdo a las tarifas horaria en media tensión establecidas por Comisión
Federal de Electricidad emitidas en mayo del 2012. Se obtiene:
Consumo
kWh/año
Precio kWh
Lámpara
fluorescente
T-8
Tarifa
kWh base
kWh intermedio
kWh punta
Total
$0.9555
$1.1483
$2.0029
0
945
38
983
Consumo
kWh/año
Lámpara
LED T-8
Ahorro
anual en
kWh
Ahorro anual
en pesos
0
450
18
468
0
495
20
515
$0.00
$568.41
$40.06
$608.47
Fuente: Comisión Federal de Electricidad
Tabla 5. Ahorro anual utilizando lámparas con tecnología LED
Para el cálculo de retorno de inversión, se establece que el precio de la lámpara
LED es de $579.99 (IVA incluido), establecido por el proveedor, con una consideración
de operación de aproximadamente 8.5 horas de trabajo de Lunes a Sábado. Tabla 6
Costo de
lámpara con
tecnología
LED
$579.99
Total de
lámparas
Importe
($)
Ahorro
anual ($)
Retorno de
inversión
(años)
12
$6,959.86
$608.47
11.44
Vida útil de Vida útil de
la lámpara
la lámpara
(30 000 hrs) (40 000 hrs)
12.82
17.09
Vida útil de
la lámpara
(50 000
hrs)
21.36
Tabla 6: Tiempo de retorno de inversión.
El CO2 no emitidos al ambiente será de 2343.16 Kg si se considera el instalar la
tecnología LED a 10 aulas, estos cálculos son realizados según se marcan por la
Agencia Internacional de Energía (IEA), para la República Mexicana donde se tiene que
la transformación de CO2 a 1KWh es de 454.9830 g. [3]
Página 310
4. Conclusiones
La depreciación de flujo luminoso en las lámparas T8 con tecnología LED es
inexistente, incluso presenta una muy pequeña elevación de apenas 2.67 lx, la cual
representa el 0.5%, este valor es tan despreciable que puede ser debido a la tolerancia
de precisión del instrumento de medición, ya que se tomaron las mismas
consideraciones ambientales para evitar en lo posible la aportación de otras fuentes de
luz. En el caso de las lámparas T8 fluorescente, se presentó una disminución del
4.24%, el cual representa una disminución considerable en la iluminación. En ambos
casos se considera que cumplen con las condiciones mínimas de iluminación de
acuerdo a la Tabla 1 de la NOM-025-STPS-2008, que establece 300 lux como mínimo
para aulas y la Sociedad Mexicana de Ingeniería e Iluminación (S.M.I.I.) que
recomienda un mínimo de iluminación de 400 lux.
En consumo energético hace un año se establece que es de 52.3 % de ahorro
de energía en lámparas con tecnología de LED comparadas con tecnología de
fluorescencia y las mediciones efectuadas actualmente presentan una ventaja también
para las lámparas con tecnología LED en consumo energético del 49%.
La Distorsión armónica no presentó diferencias significativas comportándose
similar en el período establecido de un año. Siendo el tercer armónico el de mayor
presencia seguido del quinto armónico. El valor recomendable es menor al 10% de
distorsión armónica total se pone a consideración, quien lo recomienda?, quedando por
arriba del límite las lámparas con tecnología LED.
El costo-beneficio bajo el régimen de trabajo en la Universidad Tecnológica de
San Luis Potosí, que se considera en promedio de 8.5 horas al día de Lunes a Sábado,
se obtiene que el tiempo de recuperación será de 11.44 años, cuando la vida útil de la
lámpara es de 30,000 horas y tendrá una vida útil de 12.82 años bajo el régimen de
trabajo marcado. Considerando los beneficios hacia el medio ambiente, la inversión es
Página 311
costeable; si las lámparas exceden el tiempo de vida útil marcado como mínimo, existe
un beneficio económico hacia el usuario.
Se dejan de emitir al medio ambiente 2343.16 Kg de CO2 al instalar lámparas
con tecnología LED en 10 aulas académicas similares a las del estudio.
El factor de depreciación por suciedad en las luminarias se reduce al mínimo, ya
que se cuenta con un programa de mantenimiento preventivo, el cual entre otros
puntos, considera la limpieza de las luminarias cada 12 meses, se tiene acceso
relativamente fácil y el ambiente de trabajo en donde se encuentran instaladas es
limpio.
Como apoyo a la investigación se utilizó software para búsqueda de referencias
bibliográficas el cual fue utilizado en el proyecto “diseño y desarrollo de instrumentos de
evaluación de aprendizaje por competencias del TSU, mediante la generación de un
software y plataforma virtual”. El cual se desarrolló en la red de colaboración educativa
entre la UTSLP-UTSJR como parte del trabajado desarrollado del cuerpo académico de
sistemas productivos. Sirviendo de apoyo en la búsqueda rápida y aplicación de las
referencias de estilo utilizadas en diferentes documentos, tanto de investigación,
docencia y reportes técnicos.
Página 312
Referencias
[1]
S. T. P. S., «Condiciones de iluminación en los centros de trabajo,» Diario
Oficial de la Federación, p. 90, 30 Diciembre 2008.
[2]
C. J. Chapa, Manual de instalaciones de alumbrado y fotometría, México:
Limusa, 1990.
[3]
A. I. d. Energía, «Agencia Internacional de Energía,» Agencia Internacional de
Energía, Septiembre 2011. Available:
http://www.iea.org/co2highlights/CO2highlights.pdf.
Página 313
Análisis de Confiabilidad de Sistemas Eléctricos de Distribución
utilizando Método de Monte Carlo y Analítico
Jorge Sosa Sales1 Auro Andrés González Hernández2 Enrique Beltrán Rendon3
1,2,3
Universidad Tecnológica de Nayarit – Carretera Federal 200 Km. 9, Tepic, Nayarit,
63732. México
1
Resumen
La presente investigación, se proponen dos métodos para obtener la confiabilidad de
sistemas eléctricos de distribución (SED´s), mediante la utilización de una tasa de falla
constante de los componentes de sistemas eléctricos de distribución. Mediante la los
métodos Analitico y Montecarlo, siendo este ultimo un método probabilístico para
obtener los índices de confiabilidad que determinan la confiabilidad del
Este análisis de confiabilidad de SED´s será sobre la etapa corresponde a la
edad adulta o vida útil de los componentes. En este caso, los componentes se
encuentran plenamente adaptados al sistema y su tasa de falla se considera constante.
El considerar una tasa de falla constante representa que los componentes presentarán
fallas debido a condiciones externas de los componentes, es decir, fallas ocurridas por
condiciones climáticas, vegetación, errores humanos, animales, etc., y estas fallas se
presentan de forma aleatoria y no dependen de las edades de los componentes.
Palabras claves
Confiabilidad tasa de falla variante en el tiempo (TFR), SED´s
1. Introducción
Página 314
En la industria eléctrica, confiabilidad es un subconjunto fundamental del concepto
general de Calidad de la Energía, y le concierne el análisis o estudio de interrupciones
(ausencia de voltaje) a los usuarios del servicio eléctrico [1]. Así entonces, confiabilidad
tiene el significado de continuidad del servicio de energía eléctrica que se proporciona a
los usuarios.
La confiabilidad de un sistema eléctrico de distribución se evalúa por medio de
índices de confiabilidad, los cuales miden la frecuencia y la duración de las
interrupciones así como la energía no suministrada durante esas interrupciones a los
consumidores durante el periodo de análisis.
Un nivel de confiablidad puede ser considerado como apropiado cuando el costo
de evitar interrupciones no excede los costos en las consecuencias que originan esas
interrupciones en los consumidores.
2. Desarrollo
La confiabilidad de un sistema o equipo se relaciona con la idea de la probabilidad que
un equipo o sistema permanezca en funcionamiento por un número de horas (o años)
sin fallas.
Una de los parámetros importantes en la teoría de confiabilidad es la tasa de
falla, la cual se define como:
Tasa de falla (𝜆𝜆).- Es el número de veces que un componente o un conjunto de
componentes se espera que falle durante un periodo determinado de tiempo.
La curva bañera muestra la relación entre la tasa de falla de un componente o
sistema y el tiempo de operación o funcionamiento del mismo. Figura 1
Página 315
Tasa de
Falla
Fallas
Infantiles
Fallas de
Desgaste
Vida Útil
1
Fallas Aleatorias
0.5
t (horas)
t1
t2
Figura 1 Curva bañera o Curva de evolución de la tasa de falla λ.
De acuerdo a las referencias bibliográficas [2, 3], la curva bañera puede ser vista
con diferentes funciones de distribución probabilísticas para caracterizar cada etapa de
la curva. Por ejemplo, el periodo de fallas iníciales podría ser representado por
funciones de distribución Gamma o Weibull. La etapa de vida útil o de fallas aleatorias,
puede ser vista por la función de distribución Exponencial, y la etapa de fatiga o
desgaste por funciones de distribución de Gamma o Weibull.
La función general de tasa de falla o función de riesgo, y se muestra en la
ecuación 1:
h(t)=
1
[f(t)]
R(t)
(1)
f(t)= función de densidad de distribución
R(t) es la función de confiabilidad
Fallas aleatorias, es descrita por una función de distribución exponencial de
acuerdo a la explicado en el párrafo anterior, tenemos entonces que la función de
distribución acumulativa para la parte de aleatoriedad de fallas esta descrita por la
ecuación 2,
.F(t)=1- e-λt
(2)
Página 316
se obtiene:
f (t) λe-λt
.h(t) =
= -λt
R(t)
e
.h(t)=λ
tasa de falla constante
(3)
Para llevar a cabo estudios de confiabilidad de sistemas eléctricos, se necesita
desarrollar modelos de confiabilidad de cada componente que conforman estos
sistemas. Estos componentes son, principalmente, líneas eléctricas, transformadores,
seccionadores, interruptores, entre otros. Los modelos de confiabilidad de cada
componente son expresados por su tasa de falla que representa las fallas causadas por
factores externos al componente.
De esta forma, el modelo de confiabilidad de cada componente puede ser
expresado matemáticamente de la siguiente forma:
λtot(j) = 𝜆𝜆c𝑗𝑗 + ℎ𝑗𝑗 (t)
(4)
Los índices de confiabilidad son un conjunto de datos estadísticos que define la
confiabilidad de un conjunto de cargas, componentes y sistemas.
Los índices más comúnmente utilizados en los análisis de confiabilidad no hacen
distinción del tamaño de la carga eléctrica conectada del usuario. Estos tratan al
consumidor de la misma manera a pesar de las demandas pico, venta de energía o
clase. Estos índices son SAIFI y CAIFI, los cuales miden sólo la frecuencia, y SAIDI y
CAIDI, los cuales solo miden la duración de la interrupción.
El método de simulación analítico es una técnica que modela la respuesta del sistema
ante contingencias, permitiendo con esto calcular el impacto que la contingencia tiene
en cada componente del sistema.
Página 317
Este proceso de simulación analítica es [1]:
Simulación analítica
1. Selecciona una contingencia con probabilidad de ocurrencia λ (tasa de falla).
2. Se simula la respuesta de esta contingencia en el sistema y se calcula el impacto
sobre todos los componentes.
3. Añadir λ a los componentes y cargas afectados por la contingencia.
4. ¿Todas las contingencias son simuladas? Si no, seleccionar una nueva
contingencia y salte al paso 2.
5. Fin
El resultado de la simulación analítica es el número esperado de interrupciones
momentáneas anuales, interrupciones sostenidas y horas de interrupción para cada
componente.
Técnica o método de Monte Carlo, esta técnica de Simulación de Monte Carlo
puede ser definida como una técnica de cálculo cuantitativa que nos permite simular
valores aleatorios sobre variables de entrada sujetas a incertidumbre, partiendo de unos
datos históricos suficientemente representativos que nos permitirá obtener unos valores
de salida más aproximados a la realidad.
Un historial que represente de una manara aproximada a los elementos del
sistema y al sistema mismo se crea tomando dos posibles estados que puede tener el
elemento, es decir, como un tiempo activo o disponible y un tiempo inactivo o
indisponible. [7]
La transición
de un estado disponible a un estado indisponible puede ser
causada por la falla de un elemento o por el retiro de elementos por mantenimiento. La
figura 2 muestra el historial operación/restauración de un elemento simulado [8].
Página 318
Up
Disponible
TTR
TTF
TTR
Down
Indisponible
Tiempo
Figura 2. Historial de un elemento operación/reparación.
El estado disponible es llamado tiempo a fallar (TTF) o tiempo de falla (TF). El
tiempo durante el cual el elemento esta en el estado indisponible es llamado tiempo de
restauración y puede ser también el tiempo a reparación (TTR) o tiempo de reparación
(TTR)
Los pasos que se muestran a continuación son tomados de [4], para el análisis
de confiabilidad con Simulación de Monte Carlo:
1. Generar un numero aleatorio
1
2. Convertir este número en un valor de tiempo de funcionamiento ( TTF=- λ LnU1 ).
Donde U1 y U2 son dos números aleatorios (0,1).
3. Generar un nuevo numero aleatorio
1
4. Convertir este número en un valor de tiempo de reparación TTR=- r LnU2 .
5. Repetir los pasos 1-4 para un periodo de simulación deseado. Para un sistema
radial un periodo de un año es usualmente suficiente.
6. Repetir los pasos 1-5 para cada componente del sistema.
7. Repetir los pasos 1-6 para el numero de periodos de simulación deseado.
8. Considere que falla el primer componente del alimentador.
9. Deducir cuales son los puntos de carga afectados por la falla de este
componente.
10. Contar el tiempo que este componente fallo durante este periodo. Y agregar este
T
tiempo a los puntos de carga afectados λe = ∑ T .
ue
Página 319
11. Contar el total de tiempo sin servicio del punto de carga. Y agregar este tiempo a
los elementos afectados re =
∑ Tde
T
.
12. Obtener la indisponibilidad de cada componente afectado Ue =λe *re
.
13. Repetir los pasos 8-12 para cada periodo de simulación y para cada elemento
del sistema.
14. Obtener los índices de confiabilidad.
15. Fin
Donde:
λe es la tasa de falla del elemento e
re es el tiempo de reparación del elemento e
Ue es la indisponibilidad del elemento e
T es el periodo de simulación (un año)
3. Resultados
Implementar los métodos Monte Carlo y Analítico para determinar la confiabilidad de
sistemas eléctricos de distribución de tipo:
o Sistemas radiales
Esta red es tomado del libro Reliability Evaluation Of Power Systems, Roy
Bllinton, [4] el cual será utilizado para los distintos casos de estudio en el análisis de
Monte Carlo y Analítico. La siguiente figura muestra el diagrama unifilar del sistema.
Alimentacion
1
3
2
a
4
b
c
B
A
d
C
D
Página 320
Figura 3 Típica red de distribución radial.
En la tabla 1 son plasmados los datos de confiabilidad, los cuales son tasa de
falla (𝜆𝜆), longitud de línea (km) y tiempo de reparación (r).
Componente
Longitud(km)
λ (fallas/año)
r (horas)
Sección
1
2
0.2
4
2
1
0.1
4
3
3
0.3
4
4
2
0.2
4
Ramales
a
1
0.2
2
b
3
0.6
2
c
2
0.4
2
d
1
0.2
2
Tabla 2 Datos de confiabilidad por tramo o sección de línea.
En adelante se abreviará la palabra falla con la letra f, así entonces la tasa de
falla λ se abreviara como f/año.
Método analítico
La tasa de falla que se muestra en la tabla 2 es determinada al multiplicar la tasa
de falla de los elementos del sistema por la longitud de ese componente; por ejemplo, la
tasa de falla para el elemento 1 de la sección principal es:
λ=(2km)* �0.1
f
año� =0.2 f /año
km
Página 321
Caso 1: Alimentador conectado sólidamente
Este sistema se muestra en la figura 4. En este caso, el sistema cuenta con solo
un elemento de protección que es un interruptor que se encuentra como protección del
alimentador (suministro), de manera que al presentarse una falla en cualquier sección
del sistema este afectará a todos los usuarios o puntos de carga.
Caso 2: Alimentador sólidamente conectado en troncales y con fusibles en
ramales.
Alimentacion
1
3
2
4
Interruptor
a
b
c
Fusible
d
B
C
A
D
Figura 4. Sistema con fusibles en ramales e interruptor.
Esta configuración del sistema se muestra en la figura 3. Se observa que al
presentarse una falla en el troncal (línea principal) del sistema, actuará la protección del
alimentador (interruptor), afectando a todos los usuarios del sistema. Si la falla se
presenta en algún ramal, el fusible actuará para aislar la falla afectando solo al ramal
donde ocurrió la falla, de esta manera el resto de los usuarios o cargas continuarán con
el servicio eléctrico.
En la tabla 2 se muestra los resultados obtenidos de los índices de confiabilidad
de los casos de estudio 1 y 2.
SAIFI
Int/client
e año
Caso 1
2.2
SAIDI
CAIDI
Hrs/cliente
Hrs/Int. a
año
cliente
6.0
ASUI
Indisponibilidad
2.73
ASAI
Disponibilidad
ENS
kWh/año
AENS
kWh/cliente
año
0.000685
0.999315
84.4
28.0
Página 322
Caso2
1.15
3.91
3.39
0.000446
0.999554
54.8
18.3
Tabla 2 Comparación de los índices de confiabilidad entre el caso 1 y el caso 2.
Análisis con Monte Carlo
El sistema unifilar para el análisis de Monte Carlo se muestra en la figura 3. Este
circuito fue analizado con el método analítico para el caso 1. Ahora se utilizará el
método de Monte Carlo.
Gráficas de los índices de confiabilidad para los nodos de carga del sistema
La gráfica de la figura 5, muestra los valores obtenidos, con simulación Monte Carlo,
de los índices tasa de falla (𝜆𝜆), de igual manera se realizan para los datos de tiempo de
reparación (𝑟𝑟) y la indisponibilidad del servicio (𝑈𝑈) de los nodos de carga del sistema.
2.23
λ
2.225
2.22
2.215
f/año
2.21
2.205
2.2
2.195
2.19
2.185
2.18
0
50
100
150
200
250
300
Tiempo de simulacion de un año
350
400
Figura 5 Tasa de falla (λ) de los nodos de carga del sistema
Página 323
En la tabla 4 se puede observar los resultados del caso 1 para el cálculo de los índices
SAIFI, SAIDI, CAIDI, ASAI, ASUI, ENS y AENS. En el caso 1 se calcularon los índices
con el método analítico (A), y el método de Monte Carlo (MC). También se muestra en
la tabla 4 la diferencia entre ambos resultados.
Índices
A
MC
Diferencia
SAIFI (Int/Cons año)
2.2000
2.2052
-0.23%
SAIDI (hrs/Cons año)
6.0000
6.0313
-0.52%
CAIDI (hsr/Cons Int)
2.7372
2.7363
0.03%
ASAI
0.9993
0.9993
0
ASUI
0.0007
0.0007
0
ENS (MWh/año)
84,000
84,438
-0.52%
AENS (kWh/Cons año)
28.000
28.146
-0.52%
Tabla 4 Comparación de los índices del sistema.
4. Conclusiones
En este trabajo se implementó los métodos analítico y de Monte Carlo para evaluar la
confiabilidad de SED’s. Dentro del método analítico se implementó el modo de falla y
análisis de efectos mediante una representación de sistemas eléctricos en diagrama de
bloques. Esta técnica es adecuada para modelar fallas que involucran la acción de los
dispositivos de protección. El método de Monte Carlo consistió en la simulación de un
número considerable de eventos de falla, generadas aleatoriamente, donde los valores
de los índices de confiabilidad corresponden a los valores de los momentos de las
distribuciones de probabilidad.
Estos métodos fueron aplicados a distintos sistemas eléctricos para el cálculo de
los índices de confiabilidad. Los índices indican el grado de confiabilidad del servicio de
suministro de energía eléctrica que proporcionan los sistemas eléctricos
Página 324
Los análisis de confiabilidad mediante los métodos analítico y de Monte Carlo
permiten formular las siguientes conclusiones:
•
El aumento de dispositivos de protección en los sistemas eléctricos aumenta la
confiabilidad de los sistemas. Esto es debido a que la falla es aislada por las
protecciones locales y por lo tanto no afectan a los demás consumidores.
El método analítico es más sencillo de implementar a comparación del método
de Monte Carlo, pero los resultados que muestran son muy compactos, es decir,
muestran solo un valor promedio de los índices de confiabilidad de sistemas.
El método de Monte Carlo es una técnica para evaluar la confiabilidad un poco
más compleja debido a que es necesaria la utilización de funciones de distribución de
probabilidades, pero la información de confiabilidad del sistema la muestra de manera
más detallada.
Referencias
[1] Richard E. Brown, “Electric Power Distribution Reliability”New York: Mercel Dekker,
2002, pp 115-200
[2] Enrico Carpaneto, Gianfranco Chicco. “Evaluation of the Probability Density
Functions of Distribution System Reliability Indices With a Characteristic FuntionsBased Aprroach”. IEEE Transactions on Power Systems, vol. 19, No. 2, pp 724734, May 2004
[3] Theodora Dimitrakopoulou, Konstantinos Adamisdis and Sotirios Loukas. “A Lifetime
Distribution With an Upside-Down Bathub-Shaped Harzard Function”. IEEE
Transactions on Reliability, vol. 56, No.2 June 2007.
[4] Roy Billinton, Ronald N. Allan “Reliability Evaluation of Power Systems”. Second
Edition, New York and London: Plenum Press.
[5]
Roy Billinton, Peng Wang. “Teaching Distribution Sistem Reliability Evaluation
Using Monte Carlo Simulation”. IEE Transaction on Power Systems, vol 14, No. 2, May
199, pp 397-403
Página 325
Diseño y construcción de instalación experimental para el estudio del
comportamiento de turbinas eólicas de Eje Vertical.
Emilio Augusto Álvarez Garcia1; Orbis Pérez Fernández2; Pedro Sánchez Santiago3
1
Universidad Tecnológica de Campeche – Carretera Federal 180 s/n. CP. 24381. San
Antonio Cárdenas, Carmen, Campeche. México.
1
[email protected]
2
Universidad Autónoma del Carmen –Calle 56 No 4, Colonia Benito Juárez, Código
Postal 24180, Carmen, Campeche. México.
2
[email protected]
3
Instituto Tecnológico de Chihuahua. Ave. Tecnológico 2909. C.P. 31310 Chihuahua,
Chihuahua. México. Tel. 614 2012000.
3
[email protected]
Resumen
En la presente investigación se desarrolla el diseño de una instalación experimental
para el estudio del comportamiento de turbinas eólicas de eje vertical a escala de
laboratorio. En el equipo se puede estudiar la influencia del tipo y forma del perfil,
dimensiones de diseño, así como el tipo de material sobre la potencia a trasmitir por la
turbina eólica, su efecto sobre el torque a trasmitir, y la eficiencia de la misma. Los
estudios realizados en la misma, permiten la toma de decisiones para el diseño óptimo
y fabricación de aerogeneradores de ejes vertical, tanto a escala de planta piloto como
a escala industrial. Finalmente se desarrolla el procedimiento de ensayo bajo el cual se
debe realizar los ensayos a nivel de laboratorio.
Palabras claves
Turbina eólica, instalación experimental, diseño, fabricación, materiales de ingeniería.
1. Introducción
El creciente desarrollo de la industria de construcción de maquinaria exige la realización
de trabajos de investigación que garantice la utilización óptima de los diferentes
Página 326
materiales, elevando considerablemente sus propiedades mecánicas, así como la
calidad optima desde el punto de vista de diseño, las mismas son requisito
indispensable para la reparación y el mantenimiento de los elementos de máquinas y
mecanismos en general. Estas reparaciones y mantenimientos se hacen necesarias
entre otras por las siguientes causas:
•
Perdidas de las propiedades mecánicas en las capas superficiales de los
materiales.
•
Perdidas de las dimensiones, forma y peso de la pieza.
•
Rotura total de la pieza por fatiga.
La modelación a nivel de laboratorio es de gran importancia entre otras por que
posibilita la correcta selección de los materiales, formas geométricas óptimas, diseños
económicos y de elevada calidad, contribuyendo al incremento de la durabilidad de los
las máquinas y equipos industriales.
2. Desarrollo
Un aerogenerador es una máquina para convertir la energía cinética del viento en
Energía mecánica.
El diseño e implementación de un prototipos de aerogeneradores de eje vertical para
abastecer de energía eléctrica a pequeños consumos en zonas aisladas de la red,
necesita estudios previos a través de pequeños modelos a nivel de laboratorio. Esta
iniciativa surge con el propósito de modificar perfiles tradicionales y obtener otros para
mejorar la eficiencia de este tipo de turbinas, así como fortalecer el desarrollo de las
investigaciones en la carrera de energía renovable de las universidades tecnológicas y
otros centros de enseñanza del país.
Dentro de las familias de aerogeneradores, la de eje vertical presenta las estructuras
más simples [1]. La operación de los aerogeneradores de eje vertical se basa en la
diferencia de coeficientes de arrastre entre las dos secciones expuestas al viento. Para
encontrar un buen compromiso entre eficiencia en la conversión energética y costos, se
opta por modificar la aerodinámica de estos aerogeneradores [11]. Esto significa
Página 327
incrementar levemente el costo (aumentando la complejidad estructural) pero logrando
un mejor desempeñó en la captación de la energía eólica [2]. Se busca crear un rotor
con una geometría variable orientada en forma autónoma mediante alerones,
permitiendo maximizar el arrastre en una sección y minimizarlo en la otra [3].
Para un desarrollo sostenido en la explotación del recurso energético eólico, es
condición necesaria seguir estudiando con profundidad los vientos en las distintas
zonas del país. Por lo anterior, se considera fundamental la aproximación de futuros
profesionales a las nuevas tecnologías involucradas en conversión energética de
fuentes renovables [5].
Las mejoras tecnológicas aplicadas sobre los aerogeneradores de eje horizontal y las
consecuentes mejorías en las prestaciones técnicas y económicas dejaron en segundo
plano el desarrollo de los aerogeneradores de eje vertical [6];[7].
Sin embargo, a pequeña y mediana escala, los aerogeneradores de eje vertical
vuelven a ser competitivos respecto a los de eje horizontal si se consideran los
siguientes factores [9]:
•
Estructura comparativamente simple,
•
Bajo costo de implementación,
•
Bajo costo de instalación,
•
Fácil mantenimiento.
Dentro del panorama nacional relacionado a la explotación del viento se vislumbran
necesidades de abastecer consumos aislados de la red, donde un aerogenerador de
eje vertical se ve como el más adecuado gracias a las ventajas anteriormente
mencionadas.
Loa estudios emanados de la presente investigación busca que los prototipos que se
desarrollen presenten ventajas respecto a generadores comerciales de similar
capacidad, pero, no pretende dar soluciones de mayor envergadura o competir con las
inmensas torres y granjas eólicas de eje horizontal que otorgan su energía a sistemas
interconectados de un país.
Como resultados fundamentales de las modelación a nivel de laboratorio en
pequeños modelos también busca obtener modelos optimizados para abastecer
Página 328
pequeños y medianos consumos en zonas aisladas que tienen un potencial eólico
apreciable. La aplicación se orienta a utilizar la energía eólica presente en las carreteras
y en zonas aisladas.
Los estudios a realizar pretenden determinar el comportamiento del aerogenerador al
modificar sus parámetros estructurales tales como dimensiones del rotor o perfil alar.
Este trabajo tiene como beneficios importantes desarrollar mejoras tales como la
optimización
aerodinámica
y
estructural
del
aerogenerador;
ambos
aspectos
importantes considerados por la ingeniería mecánica.
3. Resultados
En el trabajo se ha diseñado y construido una instalación experimental que permite
estudiar el comportamiento de diferentes prototipos de aerogenerador de eje Vertical,
de tamaño pequeño y que cumple con restricciones estructurales impuestas por el túnel
de viento utilizado para su estudio empírico En la Figura 1 se muestra las
características y partes principales de la instalación experimental desarrollada.
Fig. 1 - Instalación experimental Para el estudio del comportamiento de turbinas eólicas de eje
vertical. (1- Álabe; 2- Torre de fijación; 3- Plato inferior; 4-9 y 10 - Tubos de la estructura de de
fijación de la turbina eólica; 5 - Tapa superior; 6 - Rodamiento superior de fijación y centrado; 7 Generador eléctrico y 8 - Base de fijación de aerogenerador).
Página 329
Esta contribución nace en los laboratorios de la Universidad Tecnológica de Campeche
como necesidad de aportar soluciones en el ámbito de los recursos energéticos
renovables. Lo anterior implica una voluntad de otorgar alternativas tecnológicas que
impulsen la práctica de obtención de energía del viento; práctica poco desarrollada
considerando el potencial eólico del país.
Fig. 2- Vista explosionada de la Instalación experimental para el estudio del comportamiento de
turbinas eólicas de eje (del autor)
Como se puede observar en las figuras 1 y 2, la instalación permite variar durante la
experimentación y modelación los parámetros de diseños que influyen sobre el área de
barrido, coeficiente de arrastre, coeficiente de aprovechamiento, etc. De igual manera
con un soplador de viento se puede, estudiar el comportamiento de la turbina a
diferentes velocidades de viento.
Fig. 3- Instalación experimental para el estudio del comportamiento de turbinas eólicas de eje
vertical con rotores de diferentes tipos (Savonius con perfil UTC 13-W-08 y HelixWind con perfil
UTC 13-W-05).
Otra de las ventajas de la instalación es que permite estudiar el comportamiento de
diferentes perfiles de los álabes del rotor, así como cualquier tipo de turbina de eje
Página 330
vertical, tales como: Savonius, Darrieus con forma troponsikien, HelixWind, Gorlov,
Musgrove o H, así como los híbridos que generalmente son Savonius con Darrieus (Ver
Fig.3).
4. Conclusiones
1. Se diseño una Instalación experimental para el estudio y modelación de los
aerogeneradores de eje vertical a escala de laboratorio simulando tanto los
parámetros de diseño como las condiciones de explotación bajo las cuales
trabajan estos tipos de turbinas.
2. Los resultados que se obtienen en dicha instalación experimental o banco de
ensayo, permite el seleccionar las variante más eficientes, económicas, de fácil
tecnología de fabricación, y mantenimiento para la construcción de prototipos
para la electrificación de zonas no electrificadas.
3. La instalación experimental diseñada, permite el desarrollo de investigaciones en
el campo de las energías renovables, sirviendo de apoyo tanto a estudiantes
como profesores de las carreras de Energías Renovables, y Mantenimiento, y
Ingeniería Mecánica.
Página 331
Referencias
[1] Juan Cristóbal Antezana Núñez (2004). Diseño y Construcción de un Prototipo de
Generador Eólico de Eje Vertical. Santiago De Chile Septiembre 2004, en
http://www.uv.es/~navasqui/OtrosAerogeneradores/Aerogen-vertical.pdf.
[2] Camilo José Carrillo González. (2001). Análisis Y Simulación De Sistemas Eólicos
Aislados, en http://webs.uvigo.es/carrillo/publicaciones/Tesis.pdf.
[3] Avía, F.; (2000) “Estado Tecnológico de los Aerogeneradores de Media Potencia”,
Ponencia del Curso de Desarrollo Tecnológico de Sistemas Aislados con Energía
Eólica, CIEMAT, 2-6 de Octubre de 2000.
[4] Rafael Medina Noguerón (2011). Cálculo Y Diseño De La Pala (Ehecamani) De Un
Aerogenerador. Tesis para obtener e l grado de maestro en ciencias con
especialidad
en
ingeniería
mecánica,
en
http://www.repositoriodigital.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/13388/TESIS%20E
HECAMANI.pdf?sequence=1.
[5] Sandra Laura Chávez Velázquez (2010). Diseño De Un Microaerogenerador De Eje
Vertical. Tesis de Licenciatura para obtener el título de Ingeniero Industrial. Ciudad
Universitaria,
México
D.F.
Mayo
2010,
en
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/1427/Te
sis.pdf.
[6] Applied-Sciences (2011). The. Zoetrope (our name for the wind turbine) to be
durable, low maintenance, low cost and easy to build. En http://www.appliedsciences.net/library/data/zoetrope-wind-turbine.pdf.
[7] The Pembina Institute (2006), Wind Turbine Designed by Dave Mussell,
http://www.electronica-pt.com/files/turbina-eolica.pdf.
[8]
http://www.homedepot.com/catalog/pdfImages/6c/6c45f8cc-3aae-497d-899f609195998b6b.pdf
[9] http://www.urbanwind.net/pdf/CATALOGUE_V2.pdf
[10] http://www.urban-wind.org/pdf/SMALL_WIND_TURBINES_GUIDE_final.pdf
[11] http://www.usitc.gov/publications/332/ITS-2.pdf.
Página 332
Desarrollo y Caracterización de Material Compuesto Matriz Polimérica
reforzado con Fibra de Yute en sustitución de la Fibra de Vidrio
Emilio Augusto Álvarez Garcia1; Rubén Joaquín Cetina Abreu2; Pedro Sánchez
Santiago3
1,2
Universidad Tecnológica de Campeche – Carretera Federal 180 s/n. San Antonio
Cárdenas, Carmen, Campeche. México
[email protected]
3
Instituto Tecnológico de Chihuahua. Ave. Tecnológico 2909. C.P. 31310 Chihuahua,
Chihuahua. México. Tel. 614 2012000
[email protected]
Resumen
El presente trabajo de investigación tiene como objetivo fundamental estudiar la
influencia de las fibras de vidrio tipo Roving 800, Mat 600, y la fibra natural de Yute,
sobre las propiedades del material compuesto matriz polimérica a base de resina de
poliester, para su aplicación en la fabricación de palas y alavés de aerogeneradores.
Las formulaciones ensayadas presentaron propiedades mecánicas muy similares a las
reportadas por la literatura especializada para materiales compuestos base polímero, y
se tiene que la sustitución parcial de la fibra de vidrio por la fibra de yute dentro de los
niveles adecuados puede garantizar las condiciones de diseño bajo las cuales se
construyen las palas del rotor de los aerogeneradores.
Otro de los resultados alcanzado el trabajo es la obtención de los modelos matemáticos
empíricos que permiten evaluar el comportamiento de las propiedades físico - mecánica
para cualquier porciento de fibra de refuerzo que se utilizó en las formulaciones. De
igual manera se demostró que económicamente es factible sustituir parcialmente la fibra
de vidrio por la fibra de yute, ya que se garantiza un ahorro de 1.5 € por cada kilogramo
de fibra de vidrio sustituido por la de yute.
Página 333
Como novedad se aporta un nomograma denominado zona de composición o zona de
mejor mezclado, la cual resulta de gran interés debido a que representa ventajas tanto
tecnológicas como económicas, y cualquier material que se elabore a partir de esta
zona, garantiza las requeridas propiedades físico - mecánicas del compuesto.
Palabras claves: Material compuesto Matriz Polimérica, fibras naturales, fibra de vidrio,
Yute.
1. Introducción
La utilización de materiales compuestos en el diseño de elementos de máquinas se ha
incrementado notablemente en los últimos años. Esta tendencia obedece a la
posibilidad de diseñar el material con ciertas propiedades especiales y con ello
conseguir cualidades mecánicas y tribológicas superiores a los materiales tradicionales.
Los materiales compuestos presentan una favorable relación resistencia-peso y
rigidez- peso, son resistentes a la corrosión, térmicamente estables y resultan
especialmente adecuados para estructuras en las que el peso constituye una variable
fundamental en el proceso de diseño. Los componentes estructurales que requieren
gran rigidez, resistencia a los impactos, formas complejas y considerable volumen de
producción resultan ideales para ser fabricados a partir de materiales compuestos. Por
ello, su utilización en la fabricación de piezas para la industria aeronáutica,
aeroespacial, naval y de automóviles se ha extendido en los últimos años.
Desafortunadamente no existe una definición que sea ampliamente aceptada de
que es un material compuesto. El diccionario lo define como un compuesto hecho de
diferentes constituyente. A escala atómica, aquellos materiales tales como algunas
aleaciones metálicas y materiales poliméricos, pueden ser considerados materiales
compuestos por qué consisten en agrupamientos atómicos diferentes. Para nuestros
propósitos aceptaremos pues la siguiente definición:…”sistemas de materiales
compuesto por una mezcla o combinación de dos o más micro constituyentes
Página 334
que difieren en forma y composición química y son esencialmente insolubles los
unos en los otros” [4], [8].
2. Desarrollo
Los materiales compuestos son el constituido por dos o más materiales cuyas
propiedades son superiores a las que tienen ambos por separado [7].
Lo más frecuente suele ser que esté formado por dos fases: la matriz que es
continua y rodea a la otra fase que se denomina dispersa. Las propiedades resultantes
dependen de las proporciones en las que participan la matriz y la fase dispersa, además
de la morfología de esta última. [7]
Los materiales compuestos pueden estar constituidos por cualquier combinación de
dos o más materiales ya sean metálicos, orgánicos o cerámicos. Una forma de clasificar
los materiales compuestos, es atendiendo a la naturaleza de la matriz, así se suele
hablar de compuestos de matriz metálica (MMC), compuestos de matriz cerámica
(CMC) y compuestos de matriz orgánica (CMO)
Los compuestos que utilizan fibras como fase dispersa pretenden conseguir, entre
otras, mayor rigidez, carga elevada y bajo peso específico. Si estas características se
expresan como el cociente respecto a su peso específico, se habla entonces de las
características especificas del material. [2].
Los materiales plásticos permiten su transformación mediante diferentes procesos
para la obtención de piezas logradas por inyección, o termo conformado. Estos
materiales de naturaleza polimérica, permiten la dispersión de fibras en su masa dando
lugar a materiales compuestos de matriz polimèrica reforzados con fibras. Si la matriz
pertenece al grupo de los termoplásticos darán lugar a materiales que pueden ser
transformados varias veces con la ayuda de procesos térmicos. [4].
Las fibras de refuerzo o fase dispersa en una matriz polimèrica tienen como objeto
soportar tanto como sea posible el esfuerzo aplicado al conjunto, mientras que a la
matriz polimèrica le corresponde transmitir de forma efectiva las solicitaciones al
Página 335
refuerzo. [9][11]. Está ampliamente documentado que se alcanza el mejor resultado del
refuerzo cuando se cumple este principio general. [5][7] [8].
Mientras que los principios generales son bien aceptados, es muy difícil efectuar un
tratamiento teórico cuantitativo de las relaciones y mecanismos que lo comprenden, por
la complejidad de los sistemas físicos que representan los materiales termoplásticos
reforzados.
Está generalmente aceptado que el principal efecto del refuerzo es aumentar la
rigidez y la resistencia del polímero. [5]
Los principales factores a considerar en cualquier tratamiento teórico sobre la
estructura y comportamiento de los materiales termoplásticos reforzados con fibras son
[3]:
1.
Propiedades de la matriz.
2. Características de las fibras.
3.
Contenido de matriz y fibras en el compuesto. 4. Interface entre la matriz y las
fibras
La teoría clásica sobre el empleo de fibras cortas considera que cuando se aplica un
esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz
se genera un patrón de deformación, en otras palabras, en los extremos de las fibras no
hay transmisión de carga desde la matriz. [2]
La mayor parte de las propiedades de los materiales poliméricos reforzados con
fibras, están muy ligadas a la morfología característica de la fibra. Entre las
características morfológicas de las fibras se encuentran [7]:
1.
La longitud. 2. El diámetro 3. Las distribuciones de longitudes y de diámetros en
la fracción en volumen. 4. Orientación y ordenamiento de las fibras en la matriz
Las fibras de refuerzo se clasifican en función de su composición y de su tamaño,
destacando por su importancia y aplicaciones industriales, las fibras de vidrio, las de
carbono y las sintéticas. [1] [6] [10].
Las fibras tienen índices más altos de propiedades físico – mecánicas que los polvos.
Existen diferentes tipos de fibras entre las cuales se pueden mencionar las siguientes:
•
Fibras de vidrio. •
Fibras de carbón. • Fibras arámidas. • Fibras cerámicas.
•
Fibras metálicas. • Fibras termoplásticas. •
Fibras de amianto.
Página 336
En el mundo actual se emplean fundamentalmente tres tipos de fibras sintéticas para
reforzar las materias plásticas: vidrio, carbón y arámidas. Se hará énfasis en el estudio
de las dos primeras.
Como fibras naturales, se entienden los materiales fibrosos que pueden extraerse de
la naturaleza, principalmente están constituidos por celulosa y lignina, además de otros
componentes en menor cantidad, por esta razón las fibras naturales también reciben el
nombre de fibras lignocelulósicas. Estas fibras pueden proceder de plantas anuales o
bien de plantas arbóreas madereras.
Las fibras naturales, pueden clasificarse por su origen en herbáceas y cañas, como
paja de trigo, paja de arroz, bambú, bagazo de caña de azúcar; hojas fibrosas, como
abacá, sisal, henequén; filamentos largos como por ejemplo: lino, cáñamo, ramio, yute,
etc. y finalmente fibras procedentes de madera, como las coniferas como por ejemplo:
abeto y pino y frondosas como: el abedul, eucalipto y haya.
2.1 - Planificación y diseño de los experimentos de las formulaciones
complejas.
A nivel mundial se reconocen diferentes métodos de diseños de experimentales y de
diseños estadísticos experimentales que posibilitan la solución y explicación científica a
problemas objeto de estudio, resultando los mismos una vía efectiva y económica en el
campo de las investigaciones científicas.
En esta investigación se utiliza un diseño de mezcla del tipo SIMPLEX – CENTROID
CÚBICO ESPECIAL. Como variables a estudiar se tomaron las fibras de vidrio tipo E en
forma de Roving, Mat, y fibra natural de Yute.
El procesamiento de los resultados experimentales se realiza a través del paquete
estadístico StatGraphics Centurión XV.II.
Del análisis de los trabajos anteriores y los resultados del estudio bibliográfico se
toma como propiedades a evaluar la dureza Shore D (Sh D), resistencia a la Flexión
(RF), módulo de elasticidad (E), Coeficiente de Poissón (µ), resistencia a la tracción (σ
r), peso específico (γ), y por ciento de absorción de agua (Abs.agua).
Página 337
Por los métodos estadísticos adecuados al diseño seleccionado se realizó el ajuste de
los datos experimentales a la ecuación polinomial del tipo lineal empírica:
Y = b1X1 + b2X2+ b3X3 + b12X1X2 + b13X1X3 + b23 X2X3 + b123 X1X2X3
Y es el valor de la propiedad considerada.
2.2 - Análisis y discusión de los resultados.
El estudio de las mezclas propuestas permite analizar el efecto de la variable
independiente sobre las propiedades físico-mecánicas y de servicio del material
elastomérico a utilizar en la fabricación del diafragma.
- Dureza Shore D.
Los valores de dureza alcanzada por las diferentes mezclas satisfacen lo establecido
por la norma ISO 6447. (Fig.1 a y b).
b)
a)
Fig. 1 - Variación de la dureza Shore D en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la fibra natural de
Yute.
El incremento del Yute hace que la dureza disminuya en un rango amplio de 87 a 74
Shore D. El Mat 60 mantiene constante la dureza hasta un 15%, incrementando en lo
posterior hasta valores de un 90% con tendencia ligera a disminuir en lo posterior hasta
alcanzar su máximo valor, la variación de la dureza en este caso es manos marcadas
variando a niveles ente 80 y 84. Lo anterior resulta de extrema importancia porque la
dureza está estrechamente relacionada con el resto de las propiedades del material.
Con la variación de del Roving 800 la dureza aumenta y disminuye pasando por un
valor mínimo (Fig.1 b), a niveles de un 25 %. A este por ciento el menor valor de dureza
Página 338
es de 81 Shore D, y la máxima dureza de 83,5 Shore D cuando alcanza el 100% de
Roving 800, y cero por ciento de Mat 600 y Yute.
Analizando la gráfica de Isolíneas Fig.1- a, se observa que en la medida que
incrementan los porcientos de Mat 600 y Yute, y disminuye el porciento de Robing 800
la dureza disminuye alcanzando su valores mínimos.
- Resistencia al impacto.
La mayor influencia sobre la resistencia al imapcto la presenta el Roving 800, quien
con un incremento de sus niveles provoca una aumento de la misma, alcanzándose el
mayor valor de resistencia al impacto para el 100% del mismo (Fig.2 a).
a)
b)
Fig. 2 - Variación de la Resistencia al Impacto en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la fibra
natural de Yute.
Analizando el efecto del Mat 600, se tiene que la Resistencia al impacto varía varia
muy poco y disminuyendo, alcanzando valores entre 110 y 130. Comportamiento
semejante presenta el Yute, pero con una disminución brusca de la resistencia al
impacto, alcanzándose los mínimos valores para 100 % de Yute y cero por ciento de
Roving 800 y Mat 600 (Figura 2 b).
Si se requiere aumentar la resistencia al impacto se requiere incrementar los niveles
de Roving 800 y disminuir los noveles de Yute y Mat 600.
- Resistencia a la tracción.
Al igual que en el caso de la resistencia al impacto y la dureza, la resistencia a la
tracción aumenta, en la medida que se incrementan el por ciento de Roving 800 y se
disminuyen los de Yute y Mat 600 (Figura 3 a). .
Página 339
a)
b)
Fig. 3 - Variación de la Resistencia a la Tracción en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la fibra
natural de Yute.
Al analizar el efecto de cada variable por separado (Fig.3 b) se observa que la
resistencia a la tracción aumenta con el incremento del Roving 800, disminuye
sustancialmente con el incremento del Yute y permanece casi constante con el
incremento del Mat 600.
- Por ciento de absorción de agua (Abs.agua).
En las mezclas desarrolladas la absorción de Agua varia en una rango de 0.5 a 12.5
por (Fig. 4. a y b). En la medida que se incrementa el por ciento de Yute, incrementa el
porciento de absorción de agua, alcanzándose los máximos valores para cuando se
tiene cien por ciento de fibra natural de Yute y cero por ciento de Roving 800 y Mat 600.
a)
b)
Fig. 4 - Variación del Por Ciento de Absorción de Agua en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la
fibra natural de Yute.
Este comportamiento no resulta favorable para el desarrollo de materiales compuesto
matriz polimérica, factor que debe ser tomado en cuenta considerando los máximos
noveles de humedad permisibles en estos tipos de materiales. La disminución del
porciento de humedad con el empleo del Yute, se puede lograr de dos formas: Una
secando el tejido de yute antes de ser utilizado, y dos introduciendo el mismo entre las
capas de Mat 600 y Roving 800.
Página 340
Analizando el comportamiento de cada una de las variables independientemente se
tiene que el incremento del Mat 600 y el roving 800, hace que la absorción de disminuya
alcanzando su mínimo valor a sus máximos niveles (Fig. 4 b).
- Módulo de Elasticidad. (E)
La influencia de los elementos componentes de la mezcla del material compuesto
matriz polimérica desarrollado sobre el Módulo de Elasticidad se puede observar en la
Figura 5 a y b.
a)
b)
Fig. 5 - Variación del Módulo de Elasticidad en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la fibra natural
de Yute.
Para esta propiedad la mayor influencia la tiene el Mat 600 (Figura 5 b) elemento
componente de la mezcla que con su incremento, aumenta de manera acelerada el
valor del Modulo de Elasticidad. El incremento del Roving 800 también favorece el
mejoramiento de esta propiedad pero de manera menos marcada que el Roving. El
incremento del Yute trae consigo todo el tiempo una disminución del Módulo de
Elasticidad.
- Coeficiente de Poisson (µ)
Esta es una propiedad muy importante a considerar durante el desarrollo y selección de
un material para una aplicación dada, pues mide la relación que existe entre las
deformaciones unitarias transversales y las longitudinales.
El comportamiento del mismo por la influencia de los elementos componentes del
material compuesto desarrollado se muestra en la Figura. 6 a y b).
Página 341
a)
b)
Fig. 6 - Variación del coeficiente de Poison en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la fibra
natural de Yute.
Como se puede observar en la figura 6 b, el Mat 600 incrementa el valor del
coeficiente de poisson y tanto el Yute como el Roving 800 lo disminuyen, siendo en este
caso más marcada la influencia de. Yute.
- Peso específico (γ)
En esta propiedad de manera general el intervalo de variación del peso específico está
en el rango de 1.25 a 1.6 g/cm3. Es necesario significar que la fibra de yute muestra
una tendencia a la disminución del peso específico de los materiales compuestos
(Figura. 7 a, y b).
a)
b)
Fig. 7 - Variación del Peso específico en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la fibra natural
de Yute.
Al observar la figura 7 b se tiene que el peso específico prácticamente no varía con el
incremento del por ciento de Mat 600, e incrementa con el incremento del Roving 800.
- Resistencia a la Flexión. (RF)
Para esta propiedad se tiene .que con el incremento de la fibra de vidrio en forma de
Mat 600 la resistencia a la fatiga aumenta y disminuye pasando por un valor mínimo.
Hasta el 60 % de Mat 600 disminuye, y de ahí en lo adelante aumenta (Figura 8 a y b).
Página 342
a)
b)
Fig. 8 - Variación de la Resistencia a la Flexión en dependencia del Roving 800, el Mat 600 y la fibra
natural de Yute.
El incremento de la fibra natural de Yute trae consigo un incremento de la resistencia a
la flexión con niveles superiores al Mat 600 y al Roving 800. Este ultimo incrementa la
propiedad hasta niveles del 50%, permaneciendo de este nivel hasta el 100% el valor
de la resistencia a la flexión constante.
2.2 - Determinación de la mejor zona de mezclado.
Partiendo de los criterios referidos anteriormente, los dados por diferentes autores, de
los criterios tecnológicos y las condiciones de explotación a que está sometido el
elemento objeto de estudio se establecieron las siguientes restricciones tecnológicas:
Dureza Shore A = 79 - 84. - Módulo de Elasticidad = 1,500 – 2,220 MPa.
Resistencia a la Flexión, RF = 6.82 - 8.08 MPa. - Resistencia a la tracción,
240 MPa. - Resistencia al impacto, RI = 120 – 216. Peso Especifico,
σr = 150 -
ρ=
1.4 – 1.6
gr/cm3. - Coeficiente de Poisoon, µ = 0.108 – 0.114. - Porciento de Absorción de Agua,
% H2O = 0.5 - 3.5 %
El estudio de superficie básica de respuesta realizado a partir de los modelos
matemáticos empíricos obtenidos para cada propiedad, nos permite obtener la mejor
región de mezclado correspondiente a las variables estudiadas. La parte sombreada de
la figura 9 representa la zona de composición que satisface el sistema de restricciones
asignados a cada propiedad.
Página 343
Fig. 9 - Zona de mejor Región de Mezclado. Gráfico de Isopropiedades.
La zona de composición o zona de mejor mezclado brinda la posibilidad de
desarrollar formulaciones con diferentes combinaciones de fibras de Vidrio tipo E en
forma de Roving 800, Mat 600 y Fibra Natural de Yute con las requeridas propiedades
físico - mecánicas. La zona de mejor mezclado resulta de gran interés debido a que
representa ventajas tanto tecnológicas como económicas.
4. Conclusiones
1. Las formulaciones ensayadas presentaron propiedades mecánicas muy
similares a las reportadas por la literatura especializada para materiales
compuestos base polímero, por lo que se puede sustituir parcialmente la
fibra de vidrio por la fibra natural de yute dentro de los niveles adecuados
puede garantizar las condiciones de diseño bajo las cuales se construyen
las palas del rotor de los aerogeneradores.
2. La determinación de la ecuación que permite evaluar cada propiedad
mecánica permitió determinar cada una de estas para cualquier porciento
de fibra de refuerzo que se utilizó en las formulaciones.
3. El consumo de energía producto al peso de los componentes elaborados
con materiales compuestos matriz polimérica reforzados con fibras de yute
es menor que el de los que utilizan la de vidrio, lo que garantiza una
mayor eficiencia de la turbina eólica.
Página 344
Referencias
[1] Aziz, S.H., Ansell, M.P. (2004). The effect of alkalization and fibre alignment on
the mechanical and thermal properties of kenaf and hemp bast fibre composites:
Polyester resin matrix. Composites Science and Technology, Volume 64, Issue 9,
Pages 1219- 1230.
[3] Baiardo, M., Zini, E., Scandola, M. (1990). Flax fibre–polyester composites.
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing: 35 (6) 703-710.
[4] Gutowski, W. (1990). Controlled Interfaces in Composite Materials. Proc. ICCI-III.
Ed. Ishida, I. Elsevier. Nueva York. 505-520.
[5] http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.mx/2011/07/materiales-compuestos.html.
[6] http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema7_CM.pdf (2012).
[7] Luc Peters, (2007). New Structural Materials for Wind Turbine Blades .Power
Engineer. disponible en: http://www.empiritag.com/site/pepei.pennnet.com.
[8] Majó, Joan A. Mayugo (2003), TESIS DOCTORAL por la Universität politécnica
de Cataluña.
[9] Lee, S.M.., Joun, J.R. (1999). Characterization of short glass fiber filled
polystyrene by fiber orientation and mechanical properties. Macromol. Symp.
148:211-28.
[9] Koslowski, H.J. (2000). Dictionary of man-made fibers. Special edition 2000.
Sachtleben Chemie GmgH.
[10] M. F. Llop, J. P. López, A. López, F. Vilaseca y P. Mutjé. (2012). Influencia de la
modificación de las fibras sobre las características a fractura de un poliestireno
reforzado con fibras de yute. http://www.gef.es/Congresos/22/pdf/50.pdf.
[12] Parra Páez D. A, Sánchez Zarate, M A. (2012) "Desarrollo Material Polimérico
Reforzado Con Fibras Naturales". UNIVERSIDAD EAN. Facultad Ingeniería.
Ingeniería de Producción, Bogotá, Colombia.
[13] Pracella, M., Chionna, D., Anguillesi, I., Kulinski, Z., Piorkowska, E. (2006).
Functionalization, compatibilization and properties of polypropylene composites with
Hemp fibres. Composites Science and Technology.
Página 345
Algoritmo “Desacoplado Rápido” en la formación de curvas P- V para
determinar la máxima transferencia de potencia en un Sistema
Eléctrico
Arturo Salas Gutierrez1
1
Universidad Tecnológica de la Laguna Durango – Carretera Federal Torreón – Cd.
Juárez km. 7.5 s/n, Municipio Las Cuevas, Lerdo Durango, 35185. México
1
[email protected]
Resumen
Este artículo presenta un algoritmo que forma curvas P-V para determinar la máxima
potencia que se puede transferir de una región a otra en un Sistema Eléctrico de
Potencia (SEP), puesto que está basado en el método Desacoplado Rápido, además
los incrementos de carga o generación se hacen de manera variable. Este algoritmo se
desarrollo partiendo del método de Newton Raphson apoyado de un esquema
predictor-corrector. Además se presentan los resultados obtenidos de la aplicación del
algoritmo a un SEP de 39 nodos, pasando finalmente a la utilización del programa en
un sistema real. Se muestran las graficas de las curvas P-V para ciertos nodos
monitoreados y se compara el método desarrollado contra los métodos propuestos en
la literatura, y se observa que las curvas son formadas con menor cantidad de puntos,
siendo cada punto una corrida de flujos de carga, y así las curvas son elaboradas en
menor tiempo.
Palabras claves
Máxima transferencia de potencia, curvas P – V, parámetro de continuación, flujos de
potencia continuados.
Página 346
1. Introducción
Un sistema eléctrico de potencia (SEP) que se encuentra interconectado se considera
más confiable. El cálculo de la capacidad de transferencia de potencia permite evaluar
la habilidad que tiene el sistema de permanecer en estado seguro después de la
ocurrencia de contingencias de transmisión o generación.
Los límites de transferencia involucran entonces conceptos de límites operativos
diferentes. Uno de los más comunes, es el límite por colapso de voltaje. Es decir, la
cantidad de potencia que se puede transmitir en forma segura, antes de alcanzar el
colapso del sistema.
La máxima potencia que puede ser entregada a una carga y la relación entre
potencia de carga y voltaje de la red, pueden resultar en inestabilidad de voltaje.
Una herramienta que nos puede ayudar a saber el comportamiento del sistema y ver
que todas las variables están dentro del rango permitido, son las famosas curvas P-V.
2. Desarrollo
Método Desacoplado Rápido
•
Modificación al método de Newton Raphson.
•
Consideraciones solo para sistemas de potencia.
•
Menores requerimientos que el método de Newton.
•
Muy rápido.
•
Problemas en algunos sistemas.
El algoritmo se deriva del método de Newton. A partir de la relación:
(2.1)
Se inicia suponiendo que se pueden despreciar [N] y [J]. Es decir, “desacoplando”
las relaciones entre potencia activa y reactiva.
(2.2)
Página 347
Como segundo paso, se asumen las siguientes relaciones (validas para un sistema
de potencia):
1. La diferencia angular entre cualquier par de nodos conectados es pequeña:
(2.3)
2. Qp << Bpp Vp2
Entonces se tienen las siguientes relaciones:
(2.4)
Donde se cumple que: Lpq = Hpq y Lpp = Hpp. Entonces podemos tenerla siguiente
relación:
(2.5)
Donde:
[V]: Matriz diagonal con voltajes nodales (magnitudes). [B]: Negativo de la parte
imaginaria de la matriz [Y].
Pre multiplicando ambas relaciones por [V]-1, se tiene finalmente:
(2.6)
Las ecuaciones se resuelven alternadamente, hasta que se cumpla:
(2.7)
Las matrices [B’] y [B’’] son reales, dispersas y simétricas, y permanecen constantes a
lo largo del estudio, ya que se derivan de la matriz [Y].
Página 348
Formación de la parte superior de la curva
Como se menciono anteriormente, el proceso para formar las curvas PV con el método
de Newton Raphson [1] está basado en el esquema predictor - corrector, la forma de
parar el proceso es monitorear el determinante de la matriz Jacobiana en cada paso,
entonces el proceso se detiene cuando el determinante de la matriz es cero. En el caso
del Desacoplado Rápido, para formar las curvas no se puede utilizar la matriz
Jacobiana y por ende no se puede utilizar el determinante de la matriz para detener el
proceso. Pero se parte del mismo principio, modificar las ecuaciones de potencia.
∆𝑃𝑃𝑖𝑖 = 𝑃𝑃𝐺𝐺𝐺𝐺 (𝜆𝜆) − 𝑃𝑃𝐿𝐿𝐿𝐿 (𝜆𝜆) − 𝑃𝑃𝑇𝑇𝑇𝑇
Donde:
(2.8)
∆𝑄𝑄𝑖𝑖 = 𝑄𝑄𝐺𝐺𝐺𝐺 − 𝑄𝑄(𝜆𝜆) − 𝑄𝑄𝑇𝑇𝑇𝑇
(2.9)
𝑛𝑛
𝑃𝑃𝑇𝑇𝑇𝑇 = ��Vi Vj yij cos(δi − δj − γij )�
𝑗𝑗 =1
𝑛𝑛
𝑄𝑄𝑇𝑇𝑇𝑇 = ��Vi Vj yij sin(δi − δj − γij )�
𝑗𝑗 =1
Después de modificar las ecuaciones de potencia, se empieza a variar el parámetro
de carga (λ). En cada paso se revisa el numero de iteraciones en (∆P) para ver si el
sistema converge, si converge entonces se checa el máximo de (∆P), Que sea
menor a una cantidad grande (1000) por ejemplo. Se hace lo mismo para (∆Q). El
proceso termina cuando no se cumplen las condiciones antes mencionadas.
Formación de la parte inferior de la curva
Una vez que ha terminado el proceso de formación de la parte superior de la curva, se
puede estar cerca o lejos del punto crítico de carga, dependiendo del tamaño de paso
que se haya elegido. Después de esto se hace un cambio de variable, siendo ahora el
parámetro de continuación un voltaje o un ángulo. Stott y Alsac introdujeron
Página 349
simplificaciones en la matriz Jacobiana, modificando al método del Desacoplado
Rápido de Flujos de Carga descrito por:
(2.10)
La versión propuesta actualmente es conocida como la versión “XB” (tomando al
ángulo de un nodo del sistema como parámetro de continuación). Van Amerongen
ha implementado y probado otras versiones, Siendo la versión “BX” (tomando al
voltaje de un nodo del sistema como parámetro de continuación) una de ellas. La
diferencia básica entre las versiones radica en los elementos de las matrices B’ y
B’’.
Voltaje como parámetro de continuación
Cuando se usa a Vk como parámetro de continuación se habla de la versión propuesta
“BX” que se define como:
(2.11)
Donde el elemento ∆Vk del vector ∆V’ es eliminado, siendo reemplazado por ∆λ. La
matriz B’ es obtenida calculando H en V = 1 y δ = 0. La matriz B’’ también es
calculada para V = 1 y δ = 0.
La columna “k” de B’’ es reemplazada por el siguiente vector B’’k:
𝑠𝑠𝑠𝑠
𝐺𝐺
′′
𝐵𝐵𝑖𝑖𝑖𝑖
= −𝑄𝑄𝑖𝑖 + �𝐵𝐵𝑖𝑖 � ∗ 𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑖𝑖
𝑠𝑠𝑠𝑠
(𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑃𝑃𝑃𝑃)
(2.12)
Angulo como parámetro de continuación
Cuando se utiliza a δk como parámetro de continuación estamos hablando de la versión
“XB” representada por:
(2.13)
Página 350
La columna correspondiente al nuevo parámetro elegido δk es reemplazada por el
vector B’k cuyos elementos están dados por:
′
= −𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑠𝑠𝑠𝑠
𝐺𝐺
𝑠𝑠𝑠𝑠
− �𝐵𝐵𝑖𝑖 � ∗ 𝑄𝑄𝑖𝑖 (𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑃𝑃𝑃𝑃)
′
= −𝑃𝑃𝑖𝑖
𝑖𝑖
𝑠𝑠𝑠𝑠
𝐺𝐺
− �𝐵𝐵𝑖𝑖 � (𝑖𝑖 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 𝑃𝑃𝑃𝑃)
𝑖𝑖
(2.14)
(2.15)
Para efectos de los sistemas reales, cuando se usa un voltaje o un ángulo como
parámetro de continuación para formar la parte inferior de la curva, una vez que se ha
encontrado el punto máximo de cargabilidad se puede parar el proceso.
Longitud de paso variable Método Desacoplado Rápido
Para encontrar la nueva longitud de paso (σ) para cada punto de la curva en el
método de Newton Raphson se tiene:
𝜎𝜎 =
Donde:
ℎ
||𝑡𝑡||2
h= Parámetro heurístico recomendado de 0.6 a 2.
||t||2 = Norma euclidiana del vector tangente.
Figura 2.1. Curva Vector Tangente.
De la figura anterior se puede observar que entre “∆X” y “tσ” (vector tangente
multiplicado por sigma) hay poca diferencia, entonces para el desacoplado rápido,
(σ) se puede calcular como:
Página 351
Donde:
𝜎𝜎 =
∆X = Xk – Xk+1
ℎ
||∆𝑥𝑥||2
∆x = ∆X / σ
Cuando se inicia el proceso de formación de la curva P-V, partiendo del caso base,
no se cuenta con un ∆X, entonces lo que se hace es formar una matriz Jacobiana
aumentada solo una vez para obtener un vector tangente y así tener el primer
nuevo valor de σ. Para obtener una buena aproximación a la matriz Jacobiana, B’ y
B’’ son aumentadas con ceros, posteriormente se agrega el vector renglón ek.
Algoritmo “Desacoplado Rápido”
Figura 2.2. Algoritmo Desacoplado Rápido para formar curvas P-V.
Página 352
En la figura 2.2 se muestra el algoritmo basado en el método Desacoplado Rápido para
formar curvas P-V. Primero se obtiene la solución de flujos de potencia del caso base,
posteriormente se establece el parámetro de continuación, al inicio se escoge a λ, una
vez establecido el parámetro de continuación se obtiene el equivalente del vector
tangente para calcular el siguiente punto de la curva, teniendo el nuevo punto de la
curva se checa el máximo de iteraciones para la potencia activa (P) y reactiva (Q),
además de checar el máximo elemento de ∆P y ∆Q, si no se ha pasado se escoge el
nuevo tamaño de paso y se registran los valores obtenidos de voltajes y potencia
activa.
Proceso para el sistema de 39 nodos de Nueva Inglaterra
Se determinará la máxima transferencia potencia en un sistema de 39 nodos, de una
región a otra mediante la elaboración de curvas P-V para diferentes escenarios. Los
datos del sistema se encuentran en [2] y [3]. Con la elaboración de las curvas nos
podremos dar una idea clara de que tanta potencia se puede transferir.
Se aumentara la carga en los buses: 7, 8, 15, 16, 18, 20, 21 y 23. Y se graficara el
aumento de carga contra los voltajes en los nodos 19, 21, 22, 23. Estos análisis se
realizaran sin tomar en cuenta la compensación en los nodos ni la variación de
derivaciones de los transformadores.
En la literatura la manera más sencilla de formar las curvas P – V, es tomar una
longitud de paso constante, para los resultados que se presentaran en este artículo
se formaran las curvas con una longitud de paso constante de 0.02 y con una
longitud de paso variable.
En la figura (2.3) se muestra el sistema de 39 nodos de Nueva Inglaterra.
Página 353
Figura 2.3. Sistema de 39 nodos de Nueva Inglaterra.
3. Resultados
Sistema 39 nodos Newton Raphson tamaño de paso constante σ = 0.005
En la figura (3.1) se presentan las graficas de los nodos 19, 21, 22 y 23 de voltaje
contra el aumento de carga con el método de Newton modificado con tamaño de paso
constante.
Sistema 39 nodos Desacoplado Rápido tamaño de paso variable
Para la figura (3.2) se tienen las graficas de los nodos 19, 21, 22 y 23 de voltaje contra
el aumento de carga con el método de Newton modificado con tamaño de paso variable
(h = 2).
Página 354
Figura 3.1. Curvas P – V paso constante (0.005).
Figura 3.2. Curvas P – V paso variable.
Página 355
4. Conclusiones
Con la metodología de flujos de potencia continuados se pudieron lograr estas curvas,
sin embargo si se usa una longitud de paso pequeña el programa se lleva más tiempo
en dar soluciones, y con una longitud de paso grande son menos puntos para formar
las curvas pero podemos tener un valor máximo de potencia lejano a la realidad. Las
estrategias son las de usar un tamaño de paso variable. En las graficas se puede
observar que con un tamaño de paso pequeño se necesitan muchos puntos para formar
la curva, con un tamaño de paso variable se requieren menos puntos y las curvas se
forman más rápidamente, pero se debe escoger un parámetro heurístico adecuado para
que no se pierda la esencia de la curva. En la tabla (4.1) se muestran los valores
máximos de potencia que se alcanzan con los diferentes métodos y se puede observar
que si usamos un tamaño de paso variable (h=2) tenemos una potencia máxima muy
cercana a la que tendríamos con un tamaño de paso fijo pequeño (σ=0.005).
Tamaño de paso fijo (σ)
Número de puntos
0.005
Punto critico
240
75,878 MW
12
75,853 MW
Tamaño de paso variable (h)
2
Tabla 4.1. Comparación de la potencia máxima con los 2 métodos.
Referencias
[1] SALAS, Arturo. (2012) Análisis de estabilidad de voltaje en Sistemas eléctricos de
potencia mediante la construcción de curvas P – V usando una estrategia de paso
variable, Congreso Internacional de Energías Renovables y Mantenimiento Industrial
(CIERMI) 2012, Nuevo Vallarta Nayarit.
[2] SALAS, Arturo. (2011) Calculo de límites de transferencia de potencia usando una
estrategia de paso variable en la construcción de curvas P- V. Tesis de Maestría,
Instituto Tecnológico de la Laguna, Torreón Coahuila.
[3] Venkataramana Ajjarapu, Computational Techniques for voltage stability assessment
and control, series Editors: M. A. Pai and Alex M. Stankovic.
Página 356
[4] P.Kundur, Power System Stability and Control, EPRI Power Engineering Series,
McGraw-Hill, 1994.
[5] V. Ajjarapu, C. Christy, The continuation Power Flow: A tool for steady state voltage
stability analysis, IEEE Trans. On power systems, Vol. 7, No 1, Feb. 1992.
[6] Working group on a common format for exchange of solved load flow data, Common
format for exchange of solved load flow data, IEEE Trans. On power systems, 25, April,
1973.
[7] Xiao-Ping Zhang, Continuation Power Flow in Distribution System Analysis, IEEE
Trans. On power systems.
[8] C. A. Canizares and F. L. Alvarado, Point of collapse and continuation methods for
large ac/dc systems, IEEE Transactions on Power Systems, vol. 8, No. 1, 1993, pp. 1-8.
[9] Claudio A. Canizares, Calculating Optimal System Parameters to Maximize the
Distance to Saddle - node Bifurcations, IEEE Transactions on Power Systems, May
1997.
[10] Claudio A. Canizares, Victor H. Quintana, Antonio C. Z. de Souza, New Techniques
to Speed Up Voltage Collapse Computations Using Tangent Vectors, IEEE Transactions
on Power Systems, November 25, 1996.
[11] Claudio A. Canizares, Victor H. Quintana, Antonio C. Z. de Souza, Improving
continuation methods for tracing bifurcation diagrams in power systems, proc. bulk
power system voltage phenomena-III seminar, davos, switzerland, august 1994, pp.
349-358.
[12] Claudio A. Canizares, Applications of Optimization to Voltage Collapse Analysis,
Panel Session: Optimization Techniques in Voltage Collapse Analysis, IEEE/PES
Summer Meeting, San Diego, July 14, 1998.
[13] Arthit Sode-Yome, Nadarajah Mithulananthan and Kwang Y. Lee, A Maximum
Loading Margin Method for Static Voltage Stability in Power Systems, IEEE Trans. On
power systems.
Página 357
Termografia aplicada a ensayos mecánicos de tensión
M.I. Alejandro Meza de Luna1 Ing. Héctor Javier Gutiérrez Arenas2
Ing. Juan Francisco Núñez Luevano3
1 2 3
, , Universidad Tecnológica de Aguascalientes-Blvd. Juan Pablo II 1302,
Fracc. Exhacienda la cantera, Aguascalientes, Ags.
1
[email protected] ,[email protected], [email protected]
Resumen
Las propiedades mecánicas elegidas en los diferentes elementos constructivos que
conforman una edificación, dependerán de aspectos importantes durante su tiempo de
vida útil, como son las cargas vivas, cargas muertas, y aspectos de cargas intermitentes
generadas por fuerzas que la misma naturaleza brinda. Los ensayos en laboratorios
permiten un estudio del comportamiento mecánico (principalmente una relación
esfuerzo-deformación) bajo diferentes condiciones de carga a las que son sometidas
como pueden ser fuerzas uní-axiales o cargas combinadas. Esta Investigación tiene
como objetivo presentar el resultado de monitorear el comportamiento que presentan
los materiales para emitir energía hacia la superficie por medio de calor, conforme se le
aplican cargas de tensión.
Palabras claves
Calor, Ensayo de tensión, Carga, Deformación, Estructuras.
1. Introducción
De acuerdo a las propiedades mecánicas de los materiales, cuando se tiene a un
cuerpo al cual se le aplica una fuerza, éste reaccionará contra esa fuerza
presentándose una deformación. Las deformaciones pueden ser susceptibles a simple
vista o pueden ser de niveles moleculares. Por otra parte las de reacción suelen
llamarse elásticas, y podemos clasificar los cuerpos según el comportamiento frente a
la deformación. Los resultados dan cuenta de que los cuerpos pueden recuperar su
forma al desaparecer la acción deformadora, y los denominamos cuerpos elásticos.
Página 358
Otros cuerpos no pueden recuperar su forma después de una deformación, y los
llamamos inelásticos o plásticos. (Mott, 2004)
Evidentemente, un material elástico lo es hasta cierto punto: más allá de un
cierto valor de la fuerza deformadora, la estructura interna del material queda tan
deteriorada que le es imposible recuperarse. (Gere, 1989)
En la mecánica elemental un tema principal, es la prueba de materiales por
tensión con la aplicación de la maquina universal. Los materiales utilizados en la
actualidad no se comportan de manera lineal, lo que produce perdida de energía. Una
forma de manifestación es el calor provocado por la deformación del material.
Este calor producido durante una prueba de tensión es el objetivo de nuestro
estudio.
Una prueba de tensión, permitirá efectuar un trazo denominado diagrama
esfuerzo deformación del material (Gráfico1), en el cual se pueden determinar
parámetros de importancia en el diseño y/o selección de materiales como el límite
elástico, punto de fluencia, límite de fluencia, resistencia a la fatiga, punto de fractura.
Página 359
(Gráfico 1) Grafica ejemplo de esfuerzo-deformación de una prueba de
tensión en una maquina universal.
El presente estudio tiene como objetivo el analizar la correlación entre la carga,
la deformación y el calor generado en la zona elástica y plástica del material. Además
de relacionar estos parámetros con estudios realizados previamente.
2. Desarrollo
Máquina Universal utilizada
Es una máquina semejante a una prensa con la que es posible someter materiales a
ensayos de tensión y compresión para medir sus propiedades. La presión se logra
mediante placas o mandíbulas de sujeción, accionadas por tornillos o un sistema
hidráulico de potencia. (Meza, 2009)
Página 360
En nuestras pruebas desarrolladas para este artículo se empleo una Máquina
Universal Shimadzu (Figura1) capaz de desarrollar pruebas de tensión y compresión
con una carga máxima de 10 000 kilogramos.
Figura 1.- Máquina Universal SHIMADZU
Cámara termográfica utilizada
Durante las pruebas de tensión efectuadas en la máquina universal se monitoreo
el comportamiento de la distribución de calor, para lo cual se empleo una cámara
termográfica FLIR (figura 2)
Figura 2 Cámara termográfica Flir
Probetas utilizadas
Existen diferentes organismos que normalizan las pruebas destructivas de tensión
como ASTM (American Society for Testing and Materials), ASA (American Standards
Association), NIST (National Institute of Standards and Technology), NBS (National
Bureau of Standars). (Gere, 1989)
Página 361
Para nuestros análisis se utilizaron dos tipos de probetas:
•
Acero 1045
•
Acero 1008
Parámetros de las pruebas destructivas
La prueba destructiva de resistencia de material en tensión, se efectúo con los
siguientes parámetros:
•
Diámetro de la probeta: 9.25 mm
•
Área de la probeta: 67.2 mm 2
•
Velocidad de carga: 20 mm/min
•
Longitud de la probeta Acero1045: 90 mm
•
Longitud de la probeta Acero1008: 112 mm
3. Resultados
El procedimiento seguido para efectuar las pruebas es el siguiente:
•
Elaboración de probeta
•
Montaje de probeta en la maquina universal
•
Toma de termograma a temperatura ambiente
•
Aplicar carga a probeta mediante la máquina universal
•
Toma de termograma
Todas las pruebas se desarrollaron hasta su ruptura en dos materiales
diferentes, teniendo los siguientes resultados:
Algunos de los cambios de temperatura percibidos durante las diferentes pruebas
realizadas son los mostrados en las siguientes tablas:
Página 362
(Tabla 1) Material Acero 1045
Ensayo
1045-1
Temperatura
Inicial
28.9
Temperatura
Intermedia
30.1
Temperatura
Intermedia
37.8
Cambio de
Temperatura
8.9
1045-2
28.6
31.9
34.0
5.4
1045-3
29.3
33.5
35.4
6.1
1045-4
29.4
30.4
34.9
5.5
(Tabla 2) Material Acero 1008
Ensayo
1008-1
Temperatura
Inicial
25.3
Temperatura
Intermedia
28.6
Temperatura
Intermedia
31.4
Cambio de
Temperatura
6.1
1008-2
26.0
26.4
39.2
13.2
1008-3
26.6
30.1
37.6
11
1008-4
26.0
30.1
33.7
7.7
1008-5
27.3
27.5
36.1
8.8
Espectros Termográficos de las pruebas realizadas
De acuerdo a las tablas anteriores, se puede relacionar una diferencia entre
temperaturas de inicio y finales que van desde 5.4 grados centígrados hasta los 13.2
grados. Los gradientes de temperatura más significativos los presentaron los ensayos
de acero 1008.
A continuación se muestra imágenes representativas de los termogramas de las
pruebas efectuadas, así como de los gráficos de esfuerzo contra deformación y la
correspondiente temperatura.
Nota: Las escalas de temperatura están dadas en grados Centígrados
Página 363
Resultados del ensayo 1045-1 prueba destructiva desde la temperatura ambiente
hasta la ruptura.
Termogramas
Graficas
Temperatura (C)
Carga (Kg)
6000
4000
2000
0
0
5
40
30
20
10
10
Deformación de referencia (mm)
0
0
5
10
hasta la ruptura
Termogramas
Página 364
Graficas
Temperatura (C)
Carga (Kg)
6000
4000
2000
0
0
5
35
34
33
32
31
30
29
28
0
10
5
10
. Resultados del ensayo 1008-1 prueba destructiva desde la temperatura ambiente
hasta la ruptura.
Termogramas
Graficas
Temperatura (C)
Carga (Kg)
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
40
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
Página 365
hasta la ruptura
Termogramas
Graficas
Temperatura (C)
Carga (Kg)
2000
1500
1000
500
0
0
10
20
30
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
Como se aprecia en los gráficos existe una correlación entre la temperatura y la
carga, la cual se magnifica en la zona plástica del material, debido a que en esta área
se acentúa el incremento en la temperatura. El cambio de temperatura tiende a un
comportamiento no lineal.
4. Conclusiones
Paralelamente a estudios anteriores (Meza, 2009), con estos ensayos se detectar
aspectos importantes para el análisis estructural de maquinaria y edificios, así como
para el estudio de las propiedades de los materiales y la resistencia de materiales
empleados en la ingeniería.
Los ensayos marcaron una diferencia de temperatura entre los materiales, desde
la temperatura ambiente hasta la temperatura de ruptura varía de acuerdo a sus
Página 366
propiedades estructurales. En el acero 1008 se registraron diferencias de temperatura
superiores a los diez grados centígrados, mientras que en el acero 1045 las diferencias
de temperatura fueron menores a los 9 grados.
En la zona plástica del material, sobre todo en la zona cercana a la ruptura del
material se tiene un gradiente de temperatura más marcado.
Para el estudio predictivo de fallas en estructuras mecánicas o industriales, es posible
ser monitoreadas mediante el empleo de una cámara termográfica, pero se debe tener
en cuenta las variaciones permisibles de temperatura en los diferentes materiales.
Referencias
[1] Faires.(1997) Termodinámica Ed. UTHEA.
[2]Gere J, (1989) Mecánica de Materiales Ed. Thompson Learning
[3]Jennings, Lewis, Fundamentos de termodinámica Ed. Prentice Hall.
[4]Meza A., Gutiérrez H. (2009). Tecnologías para pruebas introducción a la termografía
aplicada a pruebas de tensión. Con Mantenimiento Productivo Diciembre 2009.
[5]Mott R. (2004). Diseño de elementos de maquinas, Ed. Prentice Hall
Página 367
Sistema fotovoltaico interconectado a la red de 3.6 KWp
Alejandro Alcaide Rivera, Agustín Gutiérrez Flores, Emmanuel Meneses Rivera
1,2,3
Universidad Tecnológica de Puebla
Carrera Ingeniería en Energías Renovables
Antiguo Camino a la Resurrección 1002 A-Zona Industrial 72300, Puebla, Puebla.
México.
1
3
[email protected]
Resumen
A través del presente se llevará a cabo el diseño de la instalación de un sistema
fotovoltaico interconectado a
la red en una casa tipo residencial, propiedad de la
señora Cristina Ortega, ubicada en la Cd. De Puebla, con el objetivo de disminuir el
suministro
de energía eléctrica por parte de Comisión Federal de Electricidad,
utilizando una fuente alternativa de energía y evitar la tarifa de alto consumo (DAC),
por consiguiente obteniendo grandes beneficios económicos.
El inmueble, actualmente presenta un alto consumo eléctrico con una facturación
bimestral de $5,343.88, ante la compañía (CFE)
Palabras clave:
Panel fotovoltaico, inversor, sistema interconectado, tarifa DAC.
__________________________________
1
2
3
Ing. Eléctrico, Instituto Tecnológico de Puebla.
Ing. Electromecánico, Instituto Tecnológico de Apizaco.
Ing. en Energías Renovables, Universidad Tecnológica de Puebla.
Página 368
1.-Introducción
A raíz del calentamiento global, el cual es provocado por los gases que a diario se
emiten y traen como consecuencia el llamado efecto invernadero; se busca
implementar el uso de energías alternativas con el fin de reducir la emisión de dichos
gases y favorecer a un desarrollo sustentable que ayude a mantener el equilibrio
ecológico, económico y social. Es por ello que la energía solar fotovoltaica constituye
una innovadora forma de energía con la cual se puede aprovechar la energía solar,
mediante un sistema solar fotovoltaico del modo interconectada a red, esto es para
reducir el consumo de energía eléctrica convencional, así como el costo energético.
2.-Desarrollo
a. - Sistema solar fotovoltaico
Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente parte de la energía de la luz solar
en electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente con silicio., cuando
el silicio se contamina o dopa con otros materiales de ciertas características, obtiene
propiedades eléctricas únicas en presencia de luz solar. Los electrones son excitados
por la luz y se mueven a través del silicio; este es conocido como el efecto fotovoltaico y
produce una corriente eléctrica directa. Las celdas fotovoltaicas no tienen partes
móviles, son virtualmente libres de mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30
años.
Figura 1
Ejemplo de sistema FV interconectado a la red eléctrica en una vivienda
Fuente: CONUEE/ GTZ14, 2009
Página 369
b. - Caracterización de la carga eléctrica a cubrir.
Consideraciones: Se toma como base para este ejercicio los siguientes supuestos,
referentes al consumo de energía (lámparas, electrodomésticos y bombas), además del
historial anual de consumo registrado por CFE. La potencia de consumo considerada es
de 22 KWh/día.
Histori
al de
consumo
(KWh)
feb-11
abr-11
jun-11
ago-11
oct-11
dic-11
feb-12
abr-12
jun-12
Consu
mo
KWh/mes
1,411
1,153
1,247
1,127
1,100
1,618
1,870
1,234
1,480
suma/mes
es
Prom.
bimestral
12,240
1,360.0
0
Tabla 1. Historial de consumo y facturación de la casa
c.- Componentes de un sistema fotovoltaico interconectado a la red
El sistema se compone principalmente de módulos solares y un inversor. Los
módulos solares toman la energía del sol y la convierten en electricidad de corriente
directa.
Para dimensionar nuestro sistema fotovoltaico, tomaremos el consumo promedio de
las cargas de CA. Calculado anteriormente (1360 kwh al bimestre) y lo dividiremos
entre los días del periodo, con la finalidad de obtener el consumo diario, ya que este
será el que nuestro sistema proporcionara en energía, una vez teniendo este dato
seleccionaremos un panel (amorfo en este caso debido al nivel de sombra) tomando
Página 370
sus datos nominales, se divide al consumo entre la potencia nominal del panel y el
factor de irradiación solar diario (tomando en cuenta la ubicación del inmueble) estas
operaciones nos darán el número de módulos necesarios.
Características técnicas del sistema propuesto.
Energía Generada
3600 Wh
Factor de Coincidencia
3600 Wh
Perdidas Consideradas
3%
Eficiencia de Inversor
97% 3492 Wh
Perdidas en Cables lado Corriente Alterna
2% 3422.16 Wh
Energía requerida por día
20 Kwh/día
Energía requerida por mes(30.5 días
promedio/mes)
610 Kwh/mes
Tipo de Módulo
AMORFO
Tensión de Sistema de Generación
260 VCD
Tensión de Módulos
16 VCD
Potencia Pico (Pp)
230 V
Horas de Insolación Promedio Anual
6 horas
Irradiación Promedio Anual
850 W/m2
Número de Módulos en Serie
6
Número de Módulos en Paralelo
4
Número de Módulos Totales a instalar
24
24 módulos a 64 VCA
150 W
Potencia Total Instalada en Módulos
3.6 KWp (Kilowatts Pico)
Como segunda etapa el inversor convierte la energía de corriente directa generada
por los módulos solares en corriente alterna similar a la usada en las viviendas, para
elegir nuestro inversor deberemos multiplicar el número total de módulos por su
potencia nominal, posteriormente buscaremos un inversor comercial con esta potencia
o superior.
Página 371
Potencia nominal del Inversor
4 KW
Tensión máxima de Entrada
500 VCD
Tensión nominal de Salida
240 VAC
Frecuencia
60 HZ
Características
Inversor para interconexión a red.
Inversores totales
1 Equipo
Marca del inversor seleccionado
FRONIUS
Modelo del inversor seleccionado
IG 4000
Forma de onda de salida
Senoidal pura
Rango de tensión de operación de entrada
150-450 VCD
THD en corriente
menor del 5 %
Eficiencia del inversor
95.2 %
Corriente máxima de entrada en CD
26.1 A
Corriente máxima de salida
32 A
Grado de Protección
NEMA 3R
Dimensiones (pulgadas)
28.4 X 16.5 X 8.8 (in)
Peso del equipo
19 Kg.
Cuando la energía generada es mayor que la requerida por la vivienda, el
excedente pasara al sistema de CFE y será registrada (descontada) por el medidor
bidireccional de energía. En el caso de que al final de mes se cuente con energía
eléctrica sobrante, esta se quedara en un banco de energía y podrá ser usada en los
meses siguientes.
Página 372
Figura 2 Paneles Amorfos
Fuente: www.anes.org/anes/index.php?option=com_wrapper&Itemid
Figura 3
Inversor para sistemas fotovoltaicos conectados a la red Fronius IG 4000
Fuente: http://www.fronius.com.mx/cps/rde/xchg/SID-CD0ADE10
Página 373
Figura 4
Medidor bidireccional electrónico Sentinel
Fuente: https://www.itron.com/na/about/Pages/Our-History.aspx
Figura 5
Memoria fotográfica del sistema de 3.6 KWp
Fuente: Meneses, Rivera, Gutiérrez
0
Página 374
Figura 6
Cuarto de control del SFI
1
Figura 7
Fijación del soporte a los módulos solares
d.- Impacto social
La energía solar fotovoltaica constituye una innovadora forma de energía con la cual
se puede aprovechar la energía solar, mediante un sistema solar fotovoltaico del modo
interconectado a red, esto es para reducir el consumo de energía eléctrica
convencional, así como el costo energético, pudiéndose reproducir en gran parte de las
viviendas del territorio nacional.
e.- Impacto técnico
A si también la sociedad conocerá los trabajos que se han realizado en distintas
partes de México y se observara el trabajo logrado en la aplicación de las energías
Página 375
renovables y las nuevas tecnologías renovables aplicadas en sistemas solares
fotovoltaicos interconectados a la red. Por lo que se espera que al multiplicarse la
aplicación de estos sistemas tecnológicos, el costo baje, provocando una aceleración
de este mercado.
f.- Impacto financiero y periodo simple de recuperación
En este apartado se presentara el impacto financiero que tiene al instalar un sistema
fotovoltaico a la red, también el periodo simple de recuperación reflejado en el recibo de
consumo de la CFE, en la inversión del sistema.
Pago de Energía
Pago total de
Costo del sistema
Periodo simple de
Bimestral en tarifa
energía por año
fotovoltaico
recuperación en
DAC
tarifa DAC
propuesto.
(años)
$ 35,502.92
$ 223,917.42
$ 5,883.82
6.3
Tabla 2. Periodo simple de recuperación.
g. - Viabilidad
El presente proyecto de interconexión a red del sistema fotovoltaico muestra que es
viable ya que la inversión se recupera en 6 años con 3 meses, además que el usuario
podrá seguir con los beneficios durante 218 años mas ya que esta es la vida útil del
sistema (25 años promedio), en dicho tiempo el usuario solo pagara el 20% de lo que
facturaba anterior mente a la compañía suministradora de energía CFE.
3.-Resultados
En esta sección se muestran los resultados obtenidos de la evaluación de la
implementación del sistema fotovoltaico antes descrito.
Página 376
Es importante mencionar que en la realización de este proyecto una parte
fundamental es la gestión ante CFE, para que pueda aceptar el medidor bidireccional,
fundamental para poder medir la energía generada en el sistema fotovoltaico y la
energía que seguirá aportando la CFE.
Estos trámites culminaron cerca de dos meses después de haber instalado el
sistema fotovoltaico, es decir hasta septiembre del año 2012, empezando a reflejar
ahorros en la siguiente facturación, la cual se efectuó en el mes de octubre de este año.
A continuación se muestra una pantalla de CFE, donde se muestra el consumo
antes y después de entrar en operación el sistema fotovoltaico:
Figura 8
Historial de facturación de MARIA CRISTINA ORTEGA SANCHEZ
SICOM, CFE 2012
Se puede ver en la figura 8, que el usuario tuvo una reducción en su consumo
en la facturación del mes de octubre, pasando de 1190 kwh al bimestre a 662 kwh,
logrando una reducción en su facturación de $2285.00, si bien aún no se alcanza el
objetivo de
reducir en $5000.00 pesos su facturación se ve que la tendencia se
empieza a obtener.
Es importante comentar, que los meses de diciembre y enero, se utiliza más
energía eléctrica, derivado de las festividades navideñas y por la implementación de
acondicionamiento térmico en la zona donde se realizó este proyecto.
Página 377
Figura 9
Historial de facturación actual (2013) de MARIA CRISTINA ORTEGA SANCHEZ
SICOM,CFE 2013
Se muestra en la figura 9, fechas de consumo más actuales de este usuario,
donde se puede ver que se tiene un consumo aproximado de 300 kwh obteniendo una
facturación ante CFE de $1668.00, obteniendo un beneficio de $3549.00 al bimestre,
mostrando claramente que se sigue disminuyendo la facturación ante CFE.
Se concluye que la reducción en consumo y en facturación es posible para
cualquier usuario de CFE y rentable para aquellos que se encuentran en tarifa de alto
consumo, por su alto precio, y en el caso particular de estudio se ha obtenido un 80 %
de resultado contra lo proyectado.
Conclusión
La energía solar fotovoltaica es, al igual que el resto de energías renovables,
inagotable, limpia, respetable con el medio ambiente y sentando las bases de un
autoabastecimiento, el futuro de la energía solar fotovoltaica en el mundo pasa por las
pequeñas instalaciones y las instalaciones en techo, como ya se comentó, sin embargo
en un futuro el uso de esta tecnología es prometedora para aquellos empresarios e
inversionistas que sepan y quieran invertir en esta nueva y favorable tecnología.
En México, el desarrollo de estos nuevos sistemas empiezan a tener difusión a partir
de la adecuación del marco regulatorio en el 2007. Sin embargo, actualmente se está
dando inicio al uso de las energías renovables como contribución al cuidado del medio
ambiente a través de las necesidades actuales, por lo que esta aplicación se está
encaminando a ser empleada en residencias, en las industrias, en el sector
Página 378
agropecuario, comercios entre otros., en el que los sistemas interconectados a una red
son las aplicaciones más difundidas en el uso de la energía solar en el mundo.
Referencias
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Instalaciones Eléctricas. México:Diario Oficial de la Federación.
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Guía para
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SENER/ GIZ
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México (ProSolar). México, D.F.
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Memoria del Congreso Inter... - Universidad Tecnológica de Bahía

Transcripción

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