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9-4-2018
SISTEMA DE GENERACIÒN DE AGUA MEDIANTE HUMEDAD
DEL AIRE
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA
Sistema de generación de agua mediante
humedad del aire
Brayan Estiven Barinas Perdomo
Cesar augusto Camargo González
Director
Ing. Msc Enrique Yamid Garzón Gonzales
Trabajo de grado para optar por el título de
Ingeniero en Control
Bogotá, Colombia
2018
HOJA DE ACEPTACIÓN
Sistema de generación de agua mediante humedad del aire
Observaciones.
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Director del Proyecto
Ing. Mcs. Enrique Yamid Garzón
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Jurado 1
_______________________________
Jurado 2
Contenidos
Resumen ................................................................................................................................. 8
Abstract ................................................................................................................................... 9
2 Introducción ................................................................................................................ 10
3 Objetivos ..................................................................................................................... 11
3.1 Objetivo General ................................................................................................ 11
3.2 Objetivos Específicos ......................................................................................... 11
4 Marco de referencia ..................................................................................................... 12
4.1 Estado del arte .................................................................................................... 12
4.2 Marco teórico ..................................................................................................... 16
4.2.1 Psicrometría ................................................................................................ 16
4.2.2 Composición del aire .................................................................................. 17
4.2.3 Vapor de agua ............................................................................................. 18
4.2.4 Vapor de agua en el aire ............................................................................. 19
4.2.5 Capacidad calorífica y calor específico ...................................................... 19
4.2.6 Transferencia de calor ................................................................................. 20
4.2.7 Temperatura: ............................................................................................... 20
4.2.8 Diferencia entre calor y temperatura: ......................................................... 20
4.2.9 Presion atmosférica (P) ............................................................................... 21
4.2.10 Humedad absoluta (Ha) ........................................................................... 21
4.2.11 Humedad específica (He) ........................................................................ 22
4.2.12 Humedad relativa del aire (HR) .............................................................. 22
4.2.13 Presión de saturación de vapor de agua; ................................................. 23
4.2.14 Condensacion: ......................................................................................... 24
4.2.15 Punto de Rocio: ....................................................................................... 25
4.2.16 Cálculo de la temperatura de punto de rocío: .......................................... 25
4.2.17 La energía solar ....................................................................................... 27
4.2.18 Radiación solar ........................................................................................ 27
4.2.19 Refrigeracion ........................................................................................... 28
4.2.20 Refrigeración por compresión de un gas: ................................................ 28
4.2.21 Ciclo de Carnot inverso ........................................................................... 28
4.2.22 Principales dispositivos del sistema de refrigeración .............................. 30
4.2.23 Los refrigerantes fluorados más comunes son: ....................................... 31
4.2.24 Regulación Automática: Teoría de Control ............................................ 32
4.2.25 Requerimientos generales de un sistema de control................................ 32
4.2.26 Identificación ........................................................................................... 33
5 Metodología de Desarrollo .......................................................................................... 38
5.1.1 Análisis social, económico y tecnológico: .................................................. 38
5.1.2 Diseño y programación: .............................................................................. 38
5.1.3 Implementación y funcionamiento: ............................................................ 39
5.1.4 Delimitación ................................................................................................ 39
5.2 Condensación de partículas de agua suspendidas en la atmosfera ..................... 39
5.2.1 Generación por medio de celdas de peltier ................................................. 39
5.2.2 modificaciones al sistema de generación por medio de celdas de peltier ... 42
5.2.3 Condensación mediante uso del radiador ................................................... 43
5.2.4 Modificaciones del sistema de condensación a partir de radiador .............. 47
5.2.5 Sistema de condensación con radiador aislado ........................................... 49
5.2.6 Rendimiento de las pruebas implementadas ............................................... 52
6 Instrumentación ........................................................................................................... 53
6.1 Diagrama solución del sistema ........................................................................... 53
6.2 Sensores .............................................................................................................. 55
Sensores de Temperatura ............................................................................................ 55
Sensores Integrados de temperatura ............................................................................ 55
6.3 diseño de la estructura ........................................................................................ 72
7 Identificación del sistema ............................................................................................ 74
7.1 generación de señales ......................................................................................... 75
7.2 Obtención función de transferencia.................................................................... 83
8 Control ......................................................................................................................... 85
8.1 Obtención de las constantes del controlador ...................................................... 85
8.2 implementación en software............................................................................... 88
9 Interfaz Grafica ........................................................................................................... 89
9.1 comunicación por I2C ........................................................................................ 89
9.2 realización interfaz grafica ................................................................................. 90
10 Resultados ................................................................................................................... 92
10.1 Implementación diagrama de flujo ..................................................................... 92
10.2 Comportamiento del control............................................................................... 93
10.3 Autonomía del sistema y producción ................................................................. 94
10.4 Tratamiento del agua obtenida ........................................................................... 95
10.5 Comparación con proyectos previos .................................................................. 98
11 Conclusiones ............................................................................................................... 99
12 Bibliografía............................................................................................................... 100
13 Anexos ....................................................................................................................... 103
13.1 Diagrama de instrumentación........................................................................... 103
Índice de figuras
Figura 1 Temperatura vs factor de calor [1] ........................................................................ 17
Figura 2 Composicion del aire [2] ........................................................................................ 17
Figura 3 vapores de agua en el aire[6] .................................................................................. 19
Figura 4 Temperatura punto de roció [10]............................................................................ 25
Figura 5 Ciclo de Carnot inverso[12] ................................................................................... 29
Figura 6 Proceso de identificación [22] ................................................................................ 34
Figura 7 Señal paso identificación [22] ................................................................................ 35
Figura 8 Señal paso cuadrada identificacion[22] ................................................................. 36
Figura 9 Señal cuadrada identificación [22] ......................................................................... 36
Figura 10 Señal seudoaleatoria [22] ..................................................................................... 37
Figura 11 vista superior sistema celdas de peltier(autores) .................................................. 40
Figura 12 vista celdas de peltier terminado (autores) .......................................................... 40
Figura 13 condensaciones en celdas de peltier (autores) ...................................................... 41
Figura 14 toma de datos experimental celdas de pletier( autores) ....................................... 42
Figura 15 grafica datos temperatura lm35 celdas de peltier (autores) .................................. 42
Figura 16 datos temperatura ambiente y humedad prueba celdas de peltier ( autores) ........ 43
Figura 17 circuito de refrigeración (autores) ........................................................................ 44
Figura 18 unidad refrigeración sistema radiador ( autores) .................................................. 44
Figura 19 sistema completo prototipo 2 (autores) ................................................................ 45
Figura 20 cantidad de agua generada sistema radiador ( autores) ........................................ 46
Figura 21 grafica temperatura ds18b20 sistema radiador (autores) .................................... 46
Figura 22 grafica humedad relativa en tiempo prueba (autores) .......................................... 47
Figura 23 válvula propuesta para control temperatura sistema radiador (autores).............. 48
Figura 24 sistema prototipo 2 con valvula ( autores) .......................................................... 48
Figura 25 sistema de aislamiento del condensador (autores) .............................................. 50
Figura 26 gas a implementar sistema radiador aislado ( autores) ........................................ 50
Figura 27 sistema de condensación trabajando ( autores) .................................................... 51
Figura 28 diagrama de solución............................................................................................ 53
Figura 29 Sensor de temperatura DS18B20 con características ........................................... 56
Figura 30 Comunicación ONE-WIRE DS18B20 ................................................................. 57
Figura 31 DHT22 y características ...................................................................................... 58
Figura 32 MQ135 y características ....................................................................................... 59
Figura 33 Relevo estado solido ............................................................................................ 60
Figura 34 Ventilador de servidor .......................................................................................... 60
Figura 35 Circuito medición rpm y control velocidad interna del ventilador ...................... 61
Figura 36 Diagrama flujo aire del ventilador ....................................................................... 63
Figura 37 célula solar ........................................................................................................... 65
Figura 38 panel solar para el proyecto.................................................................................. 66
Figura 39 Conexión controlador de carga solar.................................................................... 70
Figura 40 Regulador de carga solar LD2430S .................................................................... 71
Figura 41 diagrama variables proceso y variables controladas ........................................... 72
Figura 42 vista delantera del sistema .................................................................................... 73
Figura 43 Código prueba sensor de temperatura y conversor DA( autores) ........................ 74
Figura 44 pruebas de funcionamiento físicas temperatura y conversor DA( autores) ......... 75
Figura 45 Código de generación de señales para identificación (autores) ........................... 76
Figura 46 Señal paso generada en Codesys (autores)........................................................... 77
Figura 47 Señal paso cuadrada generada en Codesys (autores) ........................................... 77
Figura 48 Señal cuadrada generada en Codesys(autores) .................................................... 78
Figura 49 Señal pseudoaletoria generada en Codesys(autores)............................................ 78
Figura 50 Datos tomados por el actuador señal paso (autores) ............................................ 79
Figura 51 Datos tomados por el sensor señal paso (autores) ................................................ 79
Figura 52 datos tomados por el actuador señal paso cuadrada (autores).............................. 80
Figura 53 Datos tomados por el sensor señal paso cuadrada (autores) ................................ 80
Figura 54 datos tomados por el actuador señal cuadrada (autores) ...................................... 81
Figura 55 datos tomados por el sensor señal cuadrada (autores) ........................................ 81
Figura 56 datos tomados por el actuador señal seudoaleatoria (autores) ............................. 82
Figura 57 datos tomados por el sensor señal pseudoaleatoria (autores) .............................. 82
Figura 58 ident en Matlab con los datos de identificación tomados (autores) ..................... 83
Figura 59 función seleccionada para la identificación (autores) .......................................... 83
Figura 60 Función de transferencia del sistema Matlab (autores) ........................................ 84
Figura 61 función de transferencia discretizada en Matlab (autores) ................................... 85
Figura 62 diseño control proporcional (autores) .................................................................. 86
Figura 63 control proporcional integral diseñado en sisotool (autores) ............................... 87
Figura 64 código controlador implementado en Codesys (autores) ..................................... 88
Figura 65 comunicación para el sensor de humedad (autores) ............................................. 89
Figura 66 códigos lectura I2C con el microcontrolador (autores) ........................................ 90
Figura 67 interfaz parcial creada en Codesys (autores) ........................................................ 91
Figura 68 Diagrama de flujo para la programación (autores) .............................................. 92
Figura 69 Datos control de temperatura en la mañana (autores) .......................................... 93
Figura 70 Datos control de temperatura en la tarde (autores) .............................................. 93
Figura 71 Datos control de temperatura en la noche (autores) ............................................. 94
Figura 72 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador ............... 98
Figura 73 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador ............... 98
Índice de tablas
Tabla 1Composicion aire en la atmosfera [7] ....................................................................... 18
Tabla 2Composicion del vapor de agua[3] ........................................................................... 18
Tabla 3.Datos obtenidos con celdas de peltier (autores) ...................................................... 41
Tabla 4 Datos obtenidos con sistema radiador (autores) ...................................................... 45
Tabla 5 datos obtenidos de funcionamiento prototipo final ( autores) ................................. 51
Tabla 6 resultados promedios de las pruebas a los sistemas implementados (autores) ........ 52
Tabla 7 Parámetros eléctricos de DS18B20 ......................................................................... 56
Tabla 8 de características ventilador .................................................................................... 63
Tabla 9 Rango anual de disponibilidad de energía solar por regiones ................................. 64
Tabla 10 características eléctricas del panel de 100W. ........................................................ 66
Tabla 11 características eléctricas de la batería .................................................................... 69
Tabla 12 características técnicas controlado ........................................................................ 71
Tabla 13 tiempos de prueba para producir 100 ml utilizando el control del sistema ........... 94
Tabla 14 Autonomía del sistema únicamente con batería ................................................... 95
Tabla 15 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador ................ 95
Resumen
Un informe del IFPRI (the international food policy research institute) denominado
“panorama global del agua hasta el año 2025” . proyecta que para el año 2025 , la escasez de
agua causara anualmente pérdidas globales de 350 millones de toneladas cubicas del
potencial de producción de alimentos, esto significara que uno de los principales limitaciones
de la alimentación para el futuro será la escasez de agua[1].
El desarrollo de este trabajo se dividió en diferentes fases, la primera de ellas era la de
encontrar un sistema que de alguna forma permitiera obtener la mayor cantidad de agua
posible del aire. Para lo cual se hicieron diferentes pruebas utilizando celdas de peltier y
circuitos de refrigeración, para alimentar se utilizó energía fotovoltaica. Para la segunda de
las fases se toma el sistema que género la mayor cantidad de agua. Se realiza la identificación
del sistema pudiendo así llegar a obtener la función de transferencia de la planta, la siguiente
fase en la cual se implementa la instrumentación con los sensores y actuadores necesarios
para implementar un control óptimo de la planta, en otra fase se diseña y realizan las pruebas
del control implementado el cual en este caso es un PI, logrando la producción de más de
100ml que era lo propuesto como objetivo.
Por último se realizan pruebas al sistema terminado donde se comprueban tiempos de
funcionamiento autónomo del sistema, comportamiento del control, también verificar
aciertos y desaciertos que podrían ser la base para futuros trabajos de investigación
Palabras clave: Sistemas Fotovoltaicos, Condensación, Humedad Relativa, Punto de
Roció, diseño de control, filtración
Abstract
A report by the IFPRI (the international food policy research institute) called "global picture
of water until 2025". projected that by 2025, water scarcity will annually cause global losses
of 350 million cubic tons of food production potential, this would mean that one of the main
limitations of food for the future will be water scarcity [1] .
The development of this work was divided into different phases, the first of which was to
find a system that in some way allowed to obtain as much water as possible from the air. For
which different tests were made using peltier cells and refrigeration circuits, photovoltaic
energy was used to feed it. For the second of the phases, the system that gen- erates the most
water is taken. The identification of the system is carried out, thus being able to obtain the
transfer function of the plant, the next phase in which the instrumentation is implemented
with the necessary sensors and actuators to implement an optimum control of the plant, in
another phase it is designed and they perform the tests of the implemented control which in
this case is a PI, achieving the production of more than 100ml that was proposed as a goal.
Finally, tests are carried out on the finished system, where autonomous operating times of
the system, control behavior, are checked, as well as verifying successes and failures that
could be the basis for future research work.
Keywords: Photovoltaic Systems, Condensation, Relative Humidity, Spray Point, control
design, filtration
1 Introducción El presente proyecto se vio motivado ante la necesidad de la obtención de una fuente de agua
que supla, por lo menos en parte, la necesidad los crecientes grupos de población que se
encuentran alejadas e incomunicadas de nuestro país y del mundo, Tal como lo manifiesta la
UNESCO: “La escasez de agua es un fenómeno natural, pero también un fenómeno inducido
por los seres humanos. Aun cuando hay suficiente agua dulce en el planeta para satisfacer las
necesidades de una población mundial de cerca de siete mil millones de personas, su
distribución es desigual tanto en el tiempo como en el espacio, y mucha de ella es
desperdiciada, contaminada y manejada de manera insostenible. No existe en el mundo
escasez de agua como tal, en su lugar hay un número de regiones en el mundo que sufren
escasez de agua, esto debido a que el uso de este recurso ha crecido más del doble en relación
con la tasa de incremento poblacional en el último siglo. Cerca de una quinta parte (1,200
millones) de la población mundial de 6 mil millones de personas, habita en áreas que
enfrentan escasez de agua, y otro cuarto de la población mundial (1,600 millones) enfrenta
recortes en el suministro de agua debido a que carecen de la infraestructura necesaria para
tomar agua de los ríos y acuíferos (ONU, 2005). La escasez de agua representa para muchos
países el desafío más acuciante para el desarrollo socioeconómico y humano en general”
[16].
Es por esto que se quiere contribuir en alguna medida con esta causa y poner en práctica los
conocimientos adquiridos. Es asi que observando que la escases de agua se ubica en zonas
cálidas caracterizadas por su buena radiación solar, la poca vegetación y por ende sin
nacederos o fuentes de agua naturales, pero que en cambio ofrece en el aire y sus vientos,
“gracias a fenómenos climatológicos y físicos” una alta concentración de humedad,. Se
observa que se puede aprovechar de manera eficiente los recursos que se tienen a disposición
para transformar una fuente de energía ecológica y literalmente “extraer” de estas
condiciones climatológicas inclementes el preciado liquido. todo esto manipulando el
entorno mediante dispositivos de instrumentación y control electrónico.
2 Objetivos
2.1 Objetivo General
Diseñar e Implementar un prototipo recolector de agua mediante la humedad del aire al cual
se le implemente monitoreo y control del proceso.
2.2 Objetivos Específicos
Encontrar un modelo aproximado del sistema mediante un método experimental con el cual
se estime el comportamiento de la humedad o temperatura.
Implementar un controlador que le permita generar en el prototipo al menos 100ml de agua
a partir de la humedad o temperatura del condensador.
Diseñar e implementar una interfaz gráfica de usuario para monitorear y controlar el sistema.
3 Marco de referencia
3.1 Estado del arte
Realizando una consulta de diferentes fuentes de información se puede evidenciar que, Ante
la situación de escasez de agua apta para el consumo humano que sufren muchas zonas del
planeta, o los problemas de abastecimiento puntuales a raíz de catástrofes naturales, esta
opción es una tecnología viable y cada vez más desarrollada. Sin embargo, el inconveniente
al que se enfrenta es que la cantidad del agua dependa de la temperatura y humedad relativa
el dispositivo aquí diseñado es para el departamento de las amazonas donde la mala calidad
de aguas superficiales pone en riesgo la salud de la población que las utiliza. Para conseguir
agua a partir de la humedad es necesario enfriar una corriente de aire, de modo que el agua
en estado gaseoso se condense en una superficie de la que pueda ser recogida. Este proyecto
se trata de la tecnología frigorífica y de psicometría (ciencia que estudia las propiedades del
aire húmedo) para conseguir tal efecto[3]
Uno de los equipos utilizados para la realización de este proceso son las torres de
refrigeración el principio de funcionamiento de estos equipos se basa en la evaporación, el
equipo produce una nube de gotas de agua bien por pulverización, bien por caída libre que se
pone en contacto por una corriente de aire. la evaporación superficial por el contacto del aire
da lugar al enfriamiento del resto del agua que car en la balsa a una temperatura menor a la
de pulverización. Generalmente el uso de estos equipos esta mas relacionado a los sistemas
de refrigeración , tanto en el aire acondicionado como en la producción de frio, sin embargo
en el ámbito industrial estos equipos se utilizan para el enfriamiento de cualquier parte del
proceso que genere calor y deba ser disipado[4]
Por otra parte en el artículo[5] se desea tener un sistema de enfriamiento basado en el efecto
de las celdas de peltier pero utilizando unos módulos para regular la corriente de la celda y
por tanto no tener tanta perdida en cuanto a consumo energético que es lo que generalmente
ocurre con estos dispositivos además de los módulos manejan las celdas utilizando pwm para
obtener mayor eficiencia llegando a la conclusión de que el sistema debe trabajar a 1,1khz
aproximadamente debido a que en esta región de frecuencia los resultados fueron los
esperados recalcando que las celdas de peltier son una buena alternativa para la realización
de proyectos debido a que son eco amigables y no necesitan químicos o algún adicional para
su correcto funcionamiento[5]
Se utiliza un método para compresión del vapor usando un generador atmosférico de agua es
un dispositivo que extrae agua del aire ambiente húmedo. El vapor de agua en el aire se
condensa por enfriando el aire por debajo de su punto de rocío, exponiendo el aire a
desecantes, o presurizar el aire. A diferencia de un deshumidificador, se diseña un AWG para
hacer el agua potable. Los AWG son muy útiles en ubicaciones donde el agua potable pura
es difícil o imposible de obtener, como casi siempre hay una pequeña cantidad de agua en el
aire. Las dos técnicas primarias en uso son el enfriamiento y los desecantes. Generó una
cantidad de agua suficiente para satisfacer las necesidades de consumo de un hogar regular.
Eso aborda la necesidad de agua potable en áreas remotas y responde a la inminente escasez
de agua potable en ciertas áreas debido a los efectos del calentamiento global y los desastres
naturales. Puede también reemplazar o complementar los dispositivos de agua actualmente
disponibles en el mercado para llegar a las zonas más remotas. Para traer reducir el costo de
fabricación de este sistema[6][3]
Se plantea una forma para hacer el modelado de un sistema de recuperación por condensado
diferente debido a la complejidad que es modelar un sistema Las principales ventajas de este
enfoque son la certeza de la corrección del modelo desde el punto de vista energético (ahorro
de energía), compacidad, correspondencia directa con las ecuaciones del espacio de estados,
posibilidad de traducir esquemas de bloques directamente a Simulink Para simulaciones. Un
modelado preciso de todo el sistema es muy útil en el proyecto de la máquina para la elección
de parámetros, la evaluación de los resultados que se pueden obtener y la construcción del
control (diferentes algoritmos de control pueden ser probados en simulación antes de
implementación en la máquina real). El modelo los parámetros se han identificado utilizando
datos recogidos verdadero prototipo. Los resultados de la simulación muestran la eficacia del
modelo realizado que puede utilizarse tanto para el análisis y de control.[7]
Se trata de un equipo capaz de obtener agua del medio ambiente mediante la condensación
de la humedad presente en el aire. Para condensar el agua se precisa de una superficie a una
temperatura suficientemente baja como para que el agua pase de estado gaseoso a estado
líquido o agua propiamente dicha. La temperatura a que debe estar dicha superficie no debe
ser tampoco demasiado baja para evitar la congelación del agua condensa
da lo cual supone un aporte extra de energía innecesario. Esta
temperatura depende de las condiciones ambientales del momento; básicamente temperatura
y humedad relativa del ambiente. El sistema descrito incluye un dispositivo electrónico
denominado celda peltier formada por dos placas cerámicas planas que encierran los
elementos que consiguen que ante una aplicación de tensión, una de las placas aumente su
temperatura mientras que la otra la reduce respecto a la temperatura ambiente.
Controlando la temperatura de la placa fría de forma que esté un poco por debajo de la
temperatura de condensación (calculada en cada momento) y recogiendo el agua que se va
depositando sobre la misma antes de que vuelva a evaporarse, (mediante un
mecanismo de vibración o mediante el empuje de una escobilla) se consigue entonces un
empleo eficiente de la energía para la obtención de agua. La vibración del condensador se
realiza cada cierto tiempo y a una frecuencia regulable para optimizar la energía empleada.[8]
Los recursos hídricos y energéticos y su uso sostenible siendo cada vez más importante en
todo el mundo. El aumento de la demanda de agua dulce debido a las actividades agrícolas,
el crecimiento demográfico, la riqueza junto con el cambio climático ejerce un estrés
significativo en fuentes de agua. Un sistema urbano sostenible e integrado de la estrategia de
gestión debe implicar fuentes alternativas de agua. Además, las complejidades ambientales,
sociales y técnicas deben considerarse dentro de un diseño y desempeño de tecnologías de
tratamiento para la gestión eficiente del agua recursos. El Proceso de Jerarquía Analítica
(AHP) se emplea un problema multiobjetivo complejo para introducir una Sistema de
destilación de agua con energía solar. Una serie de criterios y los indicadores se incorporan
en AHP para evitar la subjetividad en toma de decisiones y aumentar la concienciación sobre
el efecto cada parámetro. [9]
La mejor solución posible para cubrir el agua de alta seguridad exige aprovechar el enorme
potencial del agua de mar. Todo lo que es necesario hacer es utilizar el método eficiente y
Tecnología eficaz para la eliminación de sal y impurezas que generalmente se denomina
desalación. Existe mucha investigación es en este sentido, pero las tecnologías más comunes
que se utilizan ahora son en su mayoría de costo alto y energía intensiva. Con el fin de
equilibrar la economía y la eficiencia, la tecnología prometedora hasta ahora es HDH
impulsado por la energía solar la desalinización del agua que tiene el potencial de agua que
consume los recursos naturales ecológicos, baratos y abundantes. Ellos usan un colector solar
de placa plana, un humidificador y una unidad modo de deshumidificador se integraron junto
con otros componentes como ventilador, bomba y controlador. se concluyeron los siguientes
resultados: El rendimiento del sistema está muy influido por temperatura del agua de entrada
y del aire además el sistema de almacenamiento de agua debe mejorarse , El área del colector
solar y el caudal másico de entrada también han tenido un fuerte impacto en la productividad
y parámetros están optimizados de acuerdo con las requisito.[10]
La idea básica del artículo es realizar una planta independiente para producir condensación
de agua utilizando energía foto voltaica; esto podría hacer posible obtener agua también en
áreas lejanas (donde asume una importancia de nivel primario) también en ausencia de una
conexión de red. Al igual que en plantas autónomas, no es posible adoptar sistemas
termodinámicos con compresores, anteriores la viabilidad de combinar la energía
fotovoltaica con dispositivos termoeléctricos basados en se ha analizado el efecto Peltier. La
opción de adoptar módulos termoeléctricos está relacionada con su principio de
funcionamiento estático, lo que significa alta fiabilidad, larga vida útil, buena la temperatura
requerida, y la posibilidad de operar en cualquier orientación. se realiza el aparato con la
adopción de varios de los prototipos descritos. Otras consideraciones llevan a la necesidad
de una investigación más profunda; por ejemplo: la gotas resultantes de la condensación de
la humedad debe dejar fácilmente la placa fría para la colección del agua. Todo el fenómeno
es muy complejo debido a los numerosos aspectos relativos al estudio de las propiedades
superficiales, tales como su humectabilidad. Además, el fenómeno de condensación depende
también de la temperatura de la placa fría con respecto a la teórica; sólo para subrayar este
fenómeno se ha llevado a cabo una actividad de investigación con ensayos en las diferentes
condiciones de funcionamiento recogiendo el agua producida[11]
Este articulo realiza varios experimentos con el efecto peltier buscando diferentes
aplicaciones debe ser muy favorable para producir una cantidad neta de enfriamiento útil. Se
observará que dos de los cuatro factores, y generalmente los dos más grandes, dependen del
cuadrado de la corriente. Como el enfriamiento total de Peltier es proporcional al primer valor
de la corriente, existe para cualquier pareja dada una corriente óptima para obtener el máximo
enfriamiento útil. Lo mejor que se puede hacer en la actualidad es enfriar una poco de metal
por no más de 10 grados centígrados. Esta cantidad de caída de temperatura podría ser
utilizada, ya que en para un espejo de determinación de punto de rocío muy pequeño (para
altas humedades) o para que los termopares de referencia sean mantenidos ligeramente por
debajo de la temperatura ambiente. La tasa útil de la eliminación de calor por amperio de
corriente de unión óptima corresponde sólo a mili watts.[12]
En este proyecto para lograr este propósito, es necesaria la regulación de la temperatura de
las caras de la celda Peltier para alcanzar el punto de rocio, situación que implica realizar
estudios de psicometría, identificación paramétrica de sistemas y estrategias de control
convencionales e inteligentes, tales como el control PID , redes neuronales artificiales
recurrentes y lógica fuzzy. Los resultados acerca del control de la temperatura bajo los tres
tipos de estrategias mencionadas, muestra la capacidad de cada uno de los controladores para
realizar la condensación y la función de regulación con el desarrollo del proyecto se llega a
las conclusiones que los niveles de condensación obtenidos, son muy bajos , debido a que el
sistema de la celda de peltier es un sistema de reducidas dimensiones, respecto a los
controladores utilizados , cualquiera de ellos tiene la capacidad de regular la temperatura con
variaciones en su desempeño tales como tiempo de asentamiento , sobre impulso y erro en
estado estable teniendo como mejor control el control neuronal , hablando ahora en términos
de viabilidad de la implementación debe realizarse un estudios adicionales del sistema
operando con mas celdas para incrementar el área de condensación [13]
El descubrimiento de los fenómenos termoeléctricos hace dos siglos, y la búsqueda de nuevas
alternativas de generación de energía, ha permitido un avance continuo en la tecnología
termoeléctrica en los últimos años. Desde 1834 es conocido el efecto Peltier; no obstante, su
aplicación práctica necesitó del desarrollo de los materiales semiconductores. El efecto
Peltier se caracteriza por la aparición de una diferencia de temperaturas entre las dos caras
de un semiconductor cuando por él circula una corriente. Por lo general dichas celdas están
fabricadas con Bismuto para la cara del semiconductor tipo P y Telurio para la cara tipo N.
Este trabajo está relacionado con la caracterización de una celda Peltier. Dicha
caracterización consiste en describir el comportamiento de la corriente a través de la celda
contra la diferencia de temperaturas (∆T) para 6 niveles de voltaje de polarización distintos.
La celda es alimentada con un voltaje de corriente directa a través de sus terminales. El
procedimiento de caracterización consiste en realizar un registro del comportamiento de la
diferencia de temperaturas entre las caras de la celda contra del tiempo. Adicionalmente es
necesario realizar un registro de la corriente y el voltaje de polarización. a voltajes mayores,
como 5 y 6 voltios, el súbito decremento de temperatura en la cara fría de la celda provoca
condensación de agua en su superficie, por ello se piensa que es factible emplear este tipo de
elementos como una forma alternativa en aplicaciones relacionadas con la refrigeración,
sobre todo aquellas que requieren de portabilidad.[14]
El objetivo general del presente proyecto es desarrollar un prototipo de bajo costo de un
sistema de gobierno para diodos láser con microcontroladores STM32F4 y enfriamiento con
Peltier. En primera instancia y gracias a la integración de dispositivos tales como ADC, DAC,
temporizadores y la gran cantidad de librerías y facilidades del microcontrolador STM32F4,
es posible optimizar costos por hardware, ahorrar tiempo y por lo tanto costos al usar el
poderoso set de facilidades, funciones e instrucciones del mismo. Debido a que los campos
de utilización del diodo láser requieren precisión, es necesario contar con sistemas de control
seguros, exactos y que permitan el correcto y continuo funcionamiento del diodo en
cualquiera de sus aplicaciones. En la presente investigación se diseña e implementa un
sistema de control realimentado de corriente y temperatura. Se diseñó y corroboró el correcto
funcionamiento de las etapas analógicas, necesarias para llevar a cabo el control sobre el
diodo y la temperatura del mismo. La ventaja principal que presenta el control ON/OFF es
que es de bajo costo además de ser la opción más eficiente, en este caso específico. La
desventaja principal es que no es un controlador preciso, puesto que no cuenta con las
constantes de tiempo del sistema a controlar para sintonizar el control adecuado. El control
PID presenta como ventaja primordial el hecho de que procura un error cero a la salida, es
más estable y existe menos probabilidad de error.[15]
Reportamos el avance del diseño de un controlador automático de temperatura mediante
celdas peltier, montado en un sistema experimental que permitirá la detección de transiciones
de fase con la técnica fotopiroeléctrica La detección de transiciones de fase en los materiales
es muy importante para diversas aplicaciones industriales. Las técnicas
foto térmicas , y en particular la fotopiroeléctrica, han demostrado ser útiles para medir las
propiedades térmicas de los materiales y su dependencia con la temperatura El montaje del
sistema experimental está concluido, falta elaborar detalladamente el programa en Labview,
que genere un modulador de ancho de pulso y ejecute la función del error
del controlador PID[16]
Se diseña un sistema para tomar humedad del aire por medio de una célula portier y
maximizar la producción en agua, se disminuye la corriente haciendo identificación de la
planta poniendo a trabajar el sistema. luego tomando medidas para realizar una regresión
lineal y tener un modelo aproximado de la planta para poder realizar los cálculos de un
controlador. que permita funcionar a la planta en los rangos deseados. Se ha diseñado un
regulador el cual se ha calculado teóricamente mediante ecuaciones, que debería haber
funcionado correctamente si se hubiera podido llegar a la temperatura del punto de rocío.
Este regulador al final no se ha utilizado en Labview, aunque los cálculos quedan reflejados
en este Proyecto para futuras consultas o mejoras del sistema.[17]
3.2 Marco teórico
3.2.1 Psicrometría
La Psicrometría trata la sustancia aire como una mezcla de dos gases que no reaccionan entre
sí y se comportan casi como dos gases ideales: aire seco y vapor de agua. Es la parte de la
meteorología que estudia las propiedades físicas y termodinámicas de la atmósfera; es decir,
las propiedades termodinámicas de mezclas de gas con vapor. En particular, la mayoría de
las aplicaciones se refieren al aire húmedo, considerado como o la mezcla de aire seco y
vapor de agua como se muestra en ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..
Figura 1 Temperatura vs factor de calor [1]
3.2.2 Composición del aire
Figura 2 Composicion del aire [2]
Se denomina aire a la mezcla de gases que constituye la atmósfera terrestre, que permanecen
alrededor de la Tierra por la acción de la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida
en el planeta, es particularmente delicado y está compuesto en proporciones ligeramente
variables por sustancias tales como el nitrógeno (78%), oxígeno (21%), vapor de agua (
variable entre 0 - 7%), ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles como
el criptóno el argón, es decir, 1% de otras sustancias, ver ¡Error! No se encuentra el origen
e la referencia.. [1]
Tabla 1Composicion aire en la atmosfera [7]
3.2.3 Vapor de agua
De los gases que están presentes en cantidades variables, los más abundantes son
el vapor de agua [2]
Tabla 2Composicion del vapor de agua[3]
3.2.4 Vapor de agua en el aire
Figura 3 vapores de agua en el aire[6]
3.2.5 Capacidad calorífica y calor específico
La capacidad calorífica (C) de cualquier sustancia se defina como la cantidad de calor (Q)
que se requiere para elevar la temperatura de una sustancia en un grado Celsius [3] .
Q = C ∆T (1)
La capacidad calorífica siempre será proporcional a la masa, por lo que es conveniente
definir la capacidad calorífica por unidad de masa (para no depender de la masa, que se llama
calor específico(C) [3] .
C = 𝑪
𝒎 (2)
De aquí se podrá determinar la energía calorífica Q transferida entre una sustancia de masa
m y los alrededores para un cambio de temperatura [3], dando:
Q = mc ∆T (3)
3.2.6 Transferencia de calor
Es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre
cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La termodinámica
enseña que esta transferencia de energía se define como calor. La ciencia de la transferencia
de calor pretende no sólo explicar cómo la energía térmica puede ser transferida, sino tambien
predecir la rapidez con la que, bajo ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa
transferencia. El hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la
transferencia del calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica.
[4]
3.2.7 Temperatura:
La temperatura es una magnitud física de la materia que expresa
cuantitativamente las nociones comunes de calor y frío. Los objetos de baja
temperatura son fríos, mientras que objetos de temperaturas más altas los
consideramos tibios o calientes. La temperatura se mide cuantitativamente con
termómetros. Los termómetros pueden ser calibrados respecto a diferentes
escalas de temperatura. [5]
La física térmica es la disciplina que estudia la temperatura, la transferencia y transformación
de la energía. La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material
referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados
de la materia. Por costumbre utilizamos indistintamente el término calor o temperatura para
comunicar sensaciones de calor o de frio que percibimos mediante nuestros sentidos de
contacto. El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas
de un mismo elemento
3.2.8 Diferencia entre calor y temperatura:
• La temperatura mide el nivel término de un cuerpo, mientras el calor mide la
cantidad de energía entregada o ganada por ese cuerpo. Para medir la temperatura
se utilizan los termómetros, los cuales pueden mostrar el valor en dos escalas
Fahrenheit y la Centígrada.
• El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya.
• Una misma cantidad de calor calentará mucho más un cuerpo pequeño que un
cuerpo grande, o sea, la variación de temperatura es proporcional a la cantidad de
calor.
• Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se mueven con
mayor energía.
• El calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo.
• La temperatura es la medida de dicha energía.
• El calor depende de la velocidad de las partículas, de su número, de su tamaño y
de su tipo.
• La temperatura no depende del tamaño, ni del número ni del tipo.
3.2.9 Presión atmosférica (P)
la presión atmosférica es la suma de la presión del aire seco y la presión del vapor de agua,
donde la presión del vapor de agua depende del número de moléculas presentes en un
determinado volumen y, por lo tanto, de la masa del vapor de agua por unidad de volumen,
que varía con la temperatura.
Este parámetro se mide en milímetros de mercurio (mm de Hg) o en milibares (mb).
1mb = 0.75 mm de Hg (4)
El valor más alto de la presión (tensión) de vapor de agua se observa en las regiones tropicales
cerca de la superficie del mar y es de aproximadamente 30 milibares. Los aparatos utilizados
para medirla son el espectrógrafo de masas y los radioisótopos, al ser los equipos que arrojan
mediciones más precisas.
3.2.10 Humedad absoluta (Ha)
Es el número de gramos de vapor de agua contenido en un metro cúbico de aire a una
temperatura y presión determinadas. Se expresa en gramos de vapor de agua sobre los metros
cúbicos de aire a una presión y temperatura especificadas.
Ha = 216 * e / T (g/m3) (5)
e = presión de vapor en Hpa
T = la temperatura del aire en ºK
3.2.11 Humedad específica (He)
el concepto es similar al de humedad absoluta, es la relación entre la masa de vapor de agua
y la masa de aire húmedo se expresa en gramos de vapor de agua sobre kilogramos de aire
húmedo
He = 0.622 * e / (P - 0.378 * e) (6)
Aproximando:
He = 0.622 * Pv / P (7)
Donde:
P = es la presión atmosférica en Hpa.
e = es la presión de vapor en Hpa
La humedad absoluta o específica puede determinarse como la masa de vapor de agua
presente en una unidad de aire seco la cual se representa como (Ha):
𝐻𝑎 =𝑚𝑣
𝑚𝑎,
𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑜(8)
3.2.12 Humedad relativa del aire (HR)
Por definición es la razón de la presión de vapor de agua (e) presente en ese momento, con
respecto a la presión de saturación de vapor de agua (es) a la misma temperatura; por lo
tanto, la humedad relativa es dependiente de la temperatura. [6]
% 𝑯𝑹 = 𝒆
𝒆𝒔 × 𝟏𝟎𝟎 (9)
Donde:
HR = Humedad Relativa
(e) = presión de vapor de agua
(es) = presión de saturación de vapor de agua (hPa)
Si Conocemos estas dos magnitudes humedad relativa y temperatura ambiente (bulbo seco),
podemos determinar la temperatura de punto de rocío. Para el cálculo de la presión de
saturación de vapor de agua utilizamos las fórmulas de Magnus. Fue un químico y físico
alemán; de 1861 hacia adelante dedicó mucha atención a la cuestión de la diatermancia,
especialmente en el comportamiento del aire seco y húmedo, y de los efectos térmicos
producidos por la condensación de la humedad sobre superficies sólidas. [7]
3.2.13 Presión de saturación de vapor de agua;
Para el intervalo de –45…+60 °C ( U < 0,6 %L)
𝒆𝒔(𝒕) = 𝒆𝒙𝒑 (𝒍𝒏(𝟔𝟏𝟏. 𝟐) + (𝟏𝟕.𝟔𝟐×𝒕
𝟐𝟒𝟑.𝟏𝟐+𝒕)) (10)
Para el intervalo de –65…+0,01 °C ( U < 1 %L)
𝒆𝒔(𝒕) = 𝒆𝒙𝒑 (𝒍𝒏(𝟔𝟏𝟏. 𝟐) + (𝟐𝟐. 𝟒𝟔 × 𝒕
𝟐𝟕𝟐. 𝟏𝟐 + 𝒕)) (11)
Donde:
es = Presión de saturación de vapor de agua (Pa)
t = Temperatura ambiente o de bulbo seco (°C)
teniendo la presión de saturación de vapor a temperatura ambiente, despejamos de la
formula y obtener la presión parcial de vapor de agua partir de la humedad relativa
obteniendo:
𝒆 = % 𝑯𝑹
𝟏𝟎𝟎 × 𝒆𝒔(𝒕) (12)
Humedad vs temperatura
A presión constante (1 ATM)
A una “T” dada, el aire puede contener vapor de agua hasta la saturación (condensación)
Si “T” Aumenta Más vapor de agua para sat
Si “T” Disminuye Menos vapor de agua para sat
HR = e /es(100) = presión de vapor actual/presión de vapor a saturacion
Para medir la humedad relativa del aire se utilizan el higrómetro y los psicrómetros, equipos
disponibles en distintos tipos.
3.2.14 Condensacion:
Al vapor de agua del aire que se condensa de forma natural en superficies frías se le llama
rocío. El vapor de agua sólo se condensará en otra superficie cuando ésta sea más fría que la
temperatura del vapor de agua, o cuando el equilibrio de vapor de agua en el aire, es decir, la
humedad de saturación, se haya excedido. [8]
3.2.15 Punto de Rocio:
La temperatura a la que se condensa (o solidifica) el vapor de agua en una muestra de gas a
un valor de presión se le llama temperatura de punto de rocío (o de escarcha) y su valor
depende de la presión del gas. El incremento en la presión del gas incrementa el valor de la
temperatura de punto de rocío. Una muestra de gas con una temperatura de punto de rocío de
0 °C y una presión de 70 kPa, incrementa su temperatura de punto de rocío a 1,85 ºC cuando
se incrementa la presión a 80 kPa. [9] El Punto de Rocío es el valor al que debe descender la
temperatura del aire para que el vapor de agua existente comience a condensarse. El punto
de rocío puede calcularse directamente con los datos de temperatura y humedad relativa
existentes en un momento dado.
3.2.16 Cálculo de la temperatura de punto de rocío:
Como la presión de saturación de vapor de agua a diferentes valores de temperatura es una
variable conocida, la temperatura de punto de rocío puede ser calculada de la humedad
relativa y la temperatura.
Figura 4 Temperatura punto de roció [10]
la temperatura de punto de rocío (td) es aquella cuando a la presión de vapor
prevaleciente, se logra la saturación consiguiendo como resultado condensación de
vapor de agua,
Td = C1 * (𝑒1 x10-3)C2 + C3 ln (𝑒1 x 10-3) + C4 (13)
C1 a C4 son constantes que varían de acuerdo al valor de la e
𝑒1 es la presión de vapor (en Pa )
Para temperaturas bajo cero:
C1 = 82,44543 - C2= 0,1164067 - C3= 3,056448 - C4= 196.814270 (14)
Para temperaturas sobre cero:
C1= 33,38269 - C2=0,2226162 - C3= 7,156019 - C4= 246,764110 (15)
Igualando términos obtenemos:
𝒆 = 𝒆𝒔(𝒕𝒅) (16)
Entonces para valores dados se reemplaza en la ecuación (xx) y se tiene:
𝒆𝒔(𝒕) = 𝒆𝒙𝒑 (𝒍𝒏(𝟔𝟏𝟏. 𝟐) + (𝟏𝟕.𝟔𝟐×𝒕𝒅
𝟐𝟒𝟑.𝟏𝟐+𝒕𝒅)) (17)
De la anterior ecuación se tiene que el punto de rocio es:
𝒕𝒅 = (𝟐𝟒𝟑. 𝟏𝟐 × 𝒍𝒏(𝒆) − 𝟏𝟓𝟓𝟗. 𝟕𝟐
𝟐𝟒. 𝟎𝟑𝟓 − 𝒍𝒏(𝒆)) (18)
Aproximando y sustituyendo términos se puede obtener la siguiente formula con la cual
se puede calcular el punto de rocio conociendo la temperatura de bulbo seco y la
Humedad relativa:
𝒕𝒅 = √𝑯𝑹
𝟏𝟎𝟎
𝟖× [𝟏𝟏𝟐 + (𝟎. 𝟗 × 𝑻)] + (𝟎. 𝟏 × 𝑻) − 𝟏𝟏 (19)
Donde:
Td = Temperatura de Punto de rocio en °C
T= Temperatura en ºC
HR = Humedad relativa
3.2.17 La energía solar
Energía fotovoltaica es la producida por la luz del sol. También la producida por el calor del
sol llamada termosolar, estas energías se utilizan para la generación de electricidad o la
producción de calor. Es Inagotable y renovable, se obtiene por medio de paneles y espejos.
Las células solares fotovoltaicas convierten la luz del sol directamente en electricidad por el
llamado efecto fotoeléctrico, por el cual determinados materiales son capaces de absorber
fotones (partículas lumínicas) y liberar electrones, generando una corriente eléctrica.
Por otro lado, los colectores solares térmicos usan paneles o espejos para absorber y
concentrar el calor solar, transferirlo a un fluido y conducirlo por tuberías para su
aprovechamiento en edificios e instalaciones o también para la producción de electricidad
(solar termoeléctrica). [10]
3.2.18 Radiación solar
La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a
través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina
la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. La energía procedente del Sol es
radiación electromagnética proporcionada por las reacciones del hidrógeno en el núcleo del
sol por fusión nuclear y emitida por la superficie solar. [11]
3.2.19 Refrigeracion
La refrigeración es un proceso que consiste en bajar o mantener el nivel de calor de un cuerpo
o un espacio. Considerando que realmente el frío no existe y que debe hablarse de mayor o
menor cantidad de calor o de mayor o menor nivel térmico (nivel que se mide con la
temperatura), refrigerar es un proceso termodinámico en el que se extrae calor del objeto
considerado (reduciendo su nivel térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía
térmica sin problemas. [12]
3.2.20 Refrigeración por compresión de un gas:
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el que más se utiliza en refrigeradores,
sistemas de acondicionamiento de aire y bombas de calor.
3.2.21 Ciclo de Carnot inverso
El ciclo de Carnot es totalmente reversible, permitiendo que los cuatro procesos que
comprenden el ciclo puedan invertirse. El resultado es un ciclo que opera en dirección
contraria a las manecillas del reloj, que se llama ciclo invertido de Carnot. Un dispositivo
que opera en este ciclo recibe el nombre de refrigerador.
Se compone de cuatro procesos.
1-2 Compresión adiabática isoentrópica en el compresor. Proceso adiabático isoentrópico.
2-3 Condensador. disipacion de calor del condensador al medio ambiente, proceso a
presión constate.
3-4 Estrangulamiento isoentálpico en la válvula termostática de expansión
4-1 Absorción de calor a presión constante en el evaporador (efecto refrigerante).
Figura 5 Ciclo de Carnot inverso[12]
El refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime
isentrópicamente hasta la presión del condensador. La temperatura del refrigerante aumenta
durante el proceso de compresión isentrópica, hasta un valor muy superior al de la
temperatura del medio circundante. Después el refrigerante entra en el condensador como
vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como
resultado de la disipación de calor hacia el entorno. [12]
La capacidad de enfriamiento de un sistema de refrigeración (la rapidez del calor extraído
del espacio refrigerado) con frecuencia se expresa en toneladas de refrigeración (TRF),
equivalentes a 12.000 Btu/h o 12660 KJ/h. o 3.517 KW. Esto tiene su base en la capacidad
que tiene un sistema de refrigeración en convertir 1 tonelada de agua liquida a 0 ºC (32 ºF)
en hielo a 0ºC (32 ºF) en 24 horas.
1TRF = 3.517 kW o 1TRF = 12000 BTUs (20)
Los refrigeradores son dispositivos cíclicos y los fluidos de trabajo empleados en los ciclos
de refrigeración se llaman refrigerantes. [13]
El desempeño de los refrigeradores y de las bombas de calor se expresa en los términos de
coeficiente de operación (COP), el cual se define como:
𝑪𝑶𝑷 = 𝑺𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 𝒅𝒆𝒔𝒆𝒂𝒅𝒂
𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑹𝒆𝒒𝒖𝒆𝒓𝒊𝒅𝒂 (21)
3.2.22 Principales dispositivos del sistema de refrigeración
Evaporador: Se transfiere calor (absorbe) de la región fría al refrigerante que experimenta
un cambio de fase a temperatura constante. Para que la transferencia de calor sea efectiva, la
temperatura de saturación del refrigerante debe ser menor que la temperatura de la región
fría.
Condensador: El refrigerante se condensa al ceder calor a una corriente externa al ciclo. El
agua y el aire atmosférico son las sustanciales habituales utilizadas para extraer calor del
condensador. Para conseguir que se transfiera calor, la temperatura de saturación del
refrigerante debe ser mayor que las temperaturas de las corrientes atmosféricas.
Compresor: Para alcanzar las condiciones requeridas en el condensador logrando la
liberación del calor desde el sistema al ambiente, es necesario comprimir el refrigerante de
manera de aumentar su presión y en consecuencia su temperatura (generalmente temperaturas
de sobrecalentamiento), los requerimiento de potencia de entrada depende de las necesidades
de enfriamiento.
Válvula de estrangulamiento: Liberado el calor en el condensador es necesario revertir el
proceso del compresor de manera de obtener bajas
temperaturas al disminuir la presión (estrangular), logrando las condiciones requeridas en el
evaporador. [14]
Selección del refrigerante adecuado.
En los inicios de la refrigeración se utilizaron el dióxido de azufre, amoníaco y éter etílico,
con el pasar de los años se utilizaron compuestos clorofluorocarbonados (CFC). Se designan
R-11, R-12, R-22 y R-502 (mezcla del R-22 y R115). Al final de la década de los ochenta se
tomaron medidas internacionales para restringir el uso de ciertos CFC, ya que se encontró
que reduce la capa protectora del ozono de la atmósfera y contribuye al efecto invernadero.
Así en la década de los noventa se inicia un periodo en el que se investiga nuevos
refrigerantes, como los compuestos hidrofluorocarbonados (HFC). El problema radica en el
hecho de la baja de eficiencia cuando simplemente se hace el cambio del refrigerante al
sistema, sin modificaciones para adaptarlo. Cuando se selecciona un nuevo refrigerante
generalmente es necesario rediseñar el compresor. [15]
3.2.23 Los refrigerantes fluorados más comunes son:
R407C y R410, Es el que más se usa en instalaciones de Aire Acondicionado y bombas de
calor. R 134a normalmente se usa en pequeñas plantas de refrigeración a causa de entre otras
cosas, que calor de evaporación de la cantidad de refrigerante en circulación es relativamente
pequeño. R 404A, Es el refrigerante que se usa en plantas de congelación donde se necesitan
más bajas temperaturas. Además de estos refrigerantes fluorados, hay una larga serie de otros
que no se ven a menudo hoy: R23, R417,R508A, etc.
Amoniaco NH3 El amoniaco NH3 es usado normalmente en grandes plantas de refrigeración.
Su punto de ebullición es de -33°C. El amoniaco tiene un olor característico incluso en
pequeñas concentraciones con el aire. No arde, pero es explosivo cuando se mezcla con el
aire en un porcentaje en volumen de 13-28. Es corrosivo el cobre y aleaciones de cobre no
se pueden emplear en plantas de amoniaco.
El más comúnmente utilizado en la refrigeración y en los textos de termodinámica en la
actualidad es el R-134a. al no ser agresivo al medio ambiente. Este gas es el que se utilizara
en la construcción del proyecto
3.2.24 Regulación Automática: Teoría de Control
Es una rama de la ingeniería que se ocupa principalmente del control de un proceso en un
estado determinado, la aplicación de esta teoría es de gran ayuda en el avance de la ingeniería
así como en las principales áreas de la industria entre ellas la de procesos de manufactura y
fabricación automotriz, producción textil, alimentos, aeroespaciales y en general cualquier
operación donde se requiera controlar variables especificas ya sea
temperatura,humedad,flujo,presión,etc[23].
Gracias a esto se obtiene un desempeño óptimo de los sistemas involucrados en las diferentes
áreas de aplicación de esta teoría dando como resultado mejoras en la productividad y
reducción de la carga de operación en acciones manuales y repetitivas como resultado de
automatizar implementando la teoría de control [23].
Importancia del Control Automático
Importancia del Control Automático. Los controles automáticos tienen una intervención cada
vez más importante en la vida diaria, desde los simples controles que hacen funcionar un
tostador automático hasta los complicados sistemas de control necesarios en vehículos
espaciales, en guiado de proyectiles, sistemas de pilotajes de aviones, etc. Además el control
automático se ha convertido en parte importante e integral de los procesos de manufactura e
industriales modernos. Por ejemplo el control automático resulta esencial en operaciones
industriales como el control de presión, temperatura, humedad, viscosidad y flujo en las
industrias de procesos, maquinado manejo y armado de piezas mecánicas en las industrias de
fabricación, entre muchas otras.
3.2.25 Requerimientos generales de un sistema de control
La estabilidad, exactitud y rapidez de respuesta son características que debe tener todo
sistema de control.
Estabilidad: Necesariamente, un sistema debe ser estable, esto significa que la respuesta a
una señal, ya sea el cambio del punto de referencia a una perturbación, debe alcanzar y
mantener un valor útil durante un período razonable. Un sistema de control inestable
producirá, por ejemplo, oscilaciones persistentes o de gran amplitud en la señal, o bien, puede
hacer que la señal tome valores que corresponden a límites extremos. Una respuesta inestable
es indeseada desde el punto de vista de control. Es necesario también, conocer la cantidad o
grado de estabilidad que tiene un sistema, porque puede suceder que un sistema que sea
estable, esté cerca de los límites de pasar de ser estable a inestable por el uso que se le de al
sistema en el transcurso del tiempo, o por el recambio de algún componente al realizar
cualquier tipo de mantenimiento. La inestabilidad está latente en cada sistema, por eso es
importante poder medir la cantidad de estabilidad.
Exactitud: Un sistema de control debe ser exacto dentro de ciertos límites especificados,
esto significa que el sistema debe ser capaz de reducir cualquier error a un límite aceptable.
Es conveniente hacer notar que no hay sistemas de control alguno que pueda mantener un
error cero en todo tiempo, porque siempre es necesario que exista un error para que el sistema
inicie la acción correctora. Aún cuando haya sistemas que matemáticamente pueden reducir
a cero el error en el sistema, esto no sucede en la realidad a causa de las pequeñas
imperfecciones inherentes a los componentes que forman el sistema. En muchas aplicaciones
de control, no se requiere una exactitud extrema. La exactitud es muy relativa y sus límites
están basados en la aplicación particular que se haga del sistema de control (Por Ej: la
exactitud en la posición final de un elevador es menos estricta que la exactitud requerida para
apuntar exactamente la posición de un telescopio espacial grande LST). El costo de un
sistema de control aumenta al hacerse necesario un aumento de exactitud.
Rapidez de respuesta: Es la cualidad que debe tener un Sistema de control para que funcione
a tiempo. Un sistema de control debe completar su respuesta a una señal de entrada en un
tiempo aceptable. Aunque un sistema sea estable y tenga la exactitud requerida no tiene
ningún valor si el tiempo de respuesta a una entrada, es mucho mayor que el tiempo entre las
señales. El ingeniero dedicado a los sistemas de control debe diseñar su sistema de manera
tal que se cumplan las tres condiciones de estabilidad, exactitud y rapidez de respuesta. Esto
no siempre es sencillo ya que las condiciones tienden a ser incompatibles y debe establecerse
una situación de compromiso entre ellas.
3.2.26 Identificación
Efectuar una identificación de los parámetros propios de un sistema específico, requiere del
diseño de un experimento que permita evaluar la respuesta del sistema a diferentes estímulos.
Entonces, el primer paso para la identificación del sistema es hacer un diseño del experimento
mediante el estímulo de la planta con señales de entrada de diferentes amplitudes, frecuencias
y formas, teniendo en cuenta las condiciones físicas del sistema y los puntos de operación
alrededor de los cuales se quiera efectuar el experimento.
Después de obtener la respuesta a cada estímulo, se procede a realizar la selección de la
estructura; es decir escoger el modelo matemático más conveniente para determinar una
función de transferencia que describa de la manera más aproximada el comportamiento de la
planta. En aras de lograr una identificación completa las señales con las cuales se estimula el
sistema deben tener variaciones en frecuencia y en amplitud, así como considerar los posibles
ruidos que puedan llegar a perturbar el sistema, todo para evaluar el comportamiento de la
planta ante las posibles eventualidades que se puedan presentar.
Para el diseño del experimento, Se involucra la aplicación de diferentes estímulos de energía
alrededor de un punto de operación determinado, esto se efectúa mediante diferentes señales
como lo son: paso, cuadrada y pseudoaleatoria. Dicho punto se escoge de acuerdo a las
condiciones específicas del sistema que se quieren evaluar. En la Figura No 1 se presenta un
diagrama de flujo en el cual se describe de manera gráfica la metodología general que se
aplica para hacer identificación de un sistema.
Figura 6 Proceso de identificación [22]
En el diseño del experimento se involucra el análisis de la curva de proceso del sistema la
cual se obtiene introduciendo un paso unitario en configuración de lazo abierto. En base a
esta respuesta se selecciona una estructura, es decir un modelo matemático específico que
permita generar una función de transferencia.
Luego de saber qué modelo se utilizará, se hace el cálculo de parámetros. Lo cual no es más
que hallar las constantes que y/o funciones de la estructura seleccionada, mediante algún
proceso matemático. En el caso discreto, para efectos del cálculo se suelen utilizar las
ecuaciones en diferencias .Se hace la validación para determinar la exactitud de la función
seleccionada evaluada con las constantes halladas. El modelamiento se hace si y solo si la
respuesta de la función de transferencia obtenida satisface un mínimo de exactitud requerida
al ser evaluada; si no, es necesario devolverse al primer paso y repetir el proceso.
Señales aplicadas
Se suelen aplicar tres señales específicas para estimular el sistema con el fin de hallar la curva
de reacción, los límites de la amplitud de dichas señales dependen del punto de operación
que se esté trabajando. A continuación se nombra cada una de las señales que típicamente
son aplicadas en la metodología de identificación:
Paso
La particularidad de esta señal es que su amplitud varía entre 0 y un valor máximo que se
mantiene durante el resto del tiempo que dure energizada como se ve en la figura
Figura 7 Señal paso identificación [22]
Paso modificada
Este tipo de señal es generada por medio de una señal paso convencional, pero a esta se le
agrega una modificación la cual hace que la señal paso en un cierto tiempo t1 su amplitud
varié de al forma que en esta nueva amplitud sigue teniendo un valor constante en x, es decir
es como si la señal paso tuviera dos saltos reflejados en el cambio de amplitud, como se ve
en la figura 8.
.
Figura 8 Señal paso cuadrada identificacion[22]
Cuadrada
La amplitud de esta señal varía entre un máximo y un mínimo de manera simétrica con
respecto a un eje que bien puede ser 0 u otro valor. Su frecuencia de oscilación es constante
como se ve en la figura .Teniendo la frecuencia a la que debe oscilar esta señal, es necesario
determinar su amplitud máxima y mínima. Esto se determina de una manera muy
experimental, se evalúa cuál es la amplitud mínima a la cual el sistema presenta una variación
visible.
Figura 9 Señal cuadrada identificación [22]
Seudoaleatoria
Tanto la amplitud como la frecuencia de esta señal varían entre todos los valores de un rango
máximo y mínimo determinado como se ve en la figura 4. Para generar una señal de este tipo
es necesario manejar valores ramdon entre 0 y 1, posteriormente estos se operan para obtener
diferentes amplitudes y frecuencias que limitan según el tratamiento matemático dado a los
valores ramdon. Esta señal debe tener un límite máximo en cuanto a la variación de su
amplitud y su frecuencia, esto se determina gracias a la señal cuadrada y a la paso. Se halla
el t y se dirá que la señal Seudoaleatoria tendrá una variación de su frecuencia entre t y 4t y
la amplitud variará entre el doble y menos el doble de lo que oscila la señal cuadrada.
Figura 10 Señal seudoaleatoria [22]
4 Metodología de Desarrollo
4.1.1 Análisis social, económico y tecnológico:
Para llevar a cabo el proyecto se hace necesario la recolección de información, establecer en
que zonas del país y bajo qué condiciones de estos sitios vamos a caracterizar y identificar el
sistema para que trabaje en diversas condiciones, es decir que nos permita cumplir con
nuestro objetivo teniendo en cuenta factores como pluviosidad, temperatura, humedad,
topografía, radiación solar, calidad del aire u otros datos requeridos.
Como parte del proyecto se utilizarán unos adquiridos recientemente por el grupo de
investigación, DIGITI. Pensando en la realización de este proyecto intentando aprovechar al
máximo los recursos que tiene el grupo para no tener que invertir económicamente en cosas
adicionales.
4.1.2 Diseño y programación:
Se hace necesario seguir un proceso de diseño y elaboración de un prototipo, de un sistema
de refrigeración para generar frio, a partir del enfriamiento , que nos permita hacer
mediciones, pruebas y observar el comportamiento en tiempo real de las variables físicas
para asi lograr un modelamiento preciso y real.
Se debe tratar y analizar información sobre sistemas de generación de energía ecológica.
Energía fotovoltaica, Sistemas de transformación de energía, transferencia de calor, sistemas
de refrigeración, radiación solar, fenómenos climatológicos, información sobre el aire y su
composición, fenómenos físicos del agua, calidad del agua, métodos de almacenamiento de
energía fotovoltaica, estado del arte en sistemas para obtención de agua y demás
documentación que contribuya al diseño del y ejecución del proyecto.
Seleccionar la plataforma de programación a trabajar que nos permita eficiencia, portabilidad
y confiabilidad.
Selección de transductores, comunicación y sensorica requerida para monitorear tanto el
proceso como la adquisición de datos de la planta. Diseñar e implementar un método de
control que opere el sistema de forma eficiente y estable manteniendo el “punto de roció”
Con base en el dimensionamiento del sistema físico se debe construir una estructura que sea
funcional y cumpla con los criterios de diseño requeridos para albergar todo el sistema.
4.1.3 Implementación y funcionamiento:
Se debe realizar selección de equipos y materiales para la elaboración del prototipo
definiendo los rangos voltaje de alimentación con los que vamos a trabajar, también definir
la capacidad de generación de agua y energía para cumplir con los objetivos y así dimensionar
la planta El equipo diseñado y terminado se debe poner a prueba mediante experimentación
para lograr su ajuste y sintonía del controlador.
4.1.4 Delimitación
Se presenta una propuesta para el desarrollo de un dispositivo capaz de generar agua a partir
de la humedad del aire y pueda ser instalado en lugares apartados de difícil acceso, este
prototipo es una continuación a trabajos previos realizados por el grupo de investigación
DIGITI, de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica se planea
que el dispositivo funcione mediante energías renovables y sea autónomo. Tomando como
punto de partida la necesidad de proveer agua limpia y lograr eficiencia para garantizar su
sostenibilidad sentando las bases para hacer un dispositivo a mayor escala. Para la obtención
de energía que pueda alimentar el dispositivo y no dependa de interconexión eléctrica se
utiliza energía fotovoltaica a partir de paneles solares
4.2 Condensación de partículas de agua suspendidas en la atmosfera
Lo primero que se procede a realizar para el desarrollo del proyecto es encontrar un sistema
lo mas optimo posible para la producción de agua a partir de la humedad del aire. Se procede
a la realización de diferentes pruebas experimentales para encontrar que principio es el que
funciona mejor para utilizar como prototipo de entrega . para conocer la cantidad de agua
generada se utiliza una jeringa para la recolección y posteriormente conocer la cantidad de
agua generada en un tiempo dado
4.2.1 Generación por medio de celdas de peltier
Para el primer prototipo se utiliza un arreglo de seis celdas de peltier TEC12706.las cuales
disminuyen la temperatura hasta grados menores a cero, generando escarcha la cual se desea
recolectar. También se hace el uso de un disipador que se encontraba el grupo de
investigación, el cual había sido adecuado adaptando con dos turbinas por medio de unos
conductos diseñados e impresos en 3D junto con adecuaciones para disipar la mayor cantidad
de calor posible . se piensa implementar el dispositivo inicialmente con este tipo de celdas
debido a su fácil uso, además se alimentan a 12v y con esto al momento de implementar el
sistema fotovoltaico no habrían que hacer adecuaciones de alimentación el sistema utilizado
fue el siguiente
Figura 11 vista superior sistema celdas de peltier(autores)
Para la recolección del líquido se utiliza una estructura la cual fue adecuada para ingresar el
disipador en la parte superior, mientras que en la parte inferior utiliza una especie de embudo.
Con un espacio de almacenamiento donde, se agregarían posteriormente los demás elementos
necesarios para el sistema. Por otro lado. También se alimenta con la batería que se tiene
pensada para el proyecto para evaluar la autonomía que tendría el sistema
Figura 12 vista celdas de peltier terminado (autores)
Luego de tener todo el montaje de estructura y sistema de condensación montados, se hace
una pequeña instrumentación haciendo uso de sensores de temperatura lm35 y de humedad
relativa DHT11. Se utilizan estos sensores debido a su fácil forma de toma de datos, porque
se desea conocer el comportamiento de las celdas durante el tiempo de las pruebas. Teniendo
esto se proceden a realizar pruebas de lazo abierto para conocer la producción del sistema.
Tomando el agua por medio de una jeringa
Día Voltaje Corriente Humedad Temperatura
ambiente Tiempo de
Prueba ml
agua
1
12. 3v 9A 62%-55% 19.1°C 30min 2.5
11.5v 8.5A
60%-55%
18°C
30min 2.3
2 12.5v 9A 58%-55% 17.1ºC 30min 3.0
11.8v 8.7A 57%-55% 17.5ºC 30min 2.6
3
12.0v 8.9 A 65%-62% 18.5 ºC 30 min 2.9
11.6v 8.7 A 62%-58% 17.8 ºC 30 min 2.7
10.5v 8.5 A 58%-55% 16.91ºC 30 min 2.5
4
12.5v 9 A 66%-62% 17.8ºC 30 min 3.0
11.5v 8.7 A 62%-58% 18.6ºC 30 min 2.6
10.7v 8.4 A 58%-53% 17.8ºC 30 min 2.4
Tabla 3.Datos obtenidos con celdas de peltier (autores)
De la tabla 3 se puede notar que si se compara el consumo frente a la producción el sistema
no es muy eficiente. Además se nota que las pruebas no podían durar más de 30 minutos por
que después de este lapso de tiempo el disipador empezaba a calentarse y por tanto las celdas
también produciendo esto que el agua en la celda se evaporara. Las celdas se distribuyeron
como se muestra en la figura 13
Figura 13 condensaciones en celdas de peltier (autores)
4.2.2 modificaciones al sistema de generación por medio de celdas de peltier
Como se observó en las pruebas previas el disipador a pesar de poseer un gran tamaño y
diferentes tipos de ventiladores no es suficiente para disipar lo de seis celdas. Se procede a
realizar pruebas utilizando cuatro celdas para observar si la producción tiene una mejor
eficiencia al estar con mayor enfriamiento. Además los datos tomados por los sensores esta
vez serán guardados en una base de datos creada en Excel. Mediante una interfaz que hará
las veces de datalogger, para poder tener los datos guardados para posteriores análisis.
Figura 14 toma de datos experimental celdas de peltier( autores)
Posteriormente se realizan las siguientes gráficas para comprobar mejor los resultados de
los cambios en la medición
Figura 15 grafica datos temperatura lm35 celdas de peltier (autores)
0
50
100
150
200
250
300
350
1
10
19
28
37
46
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64
73
82
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10
0
10
9
11
8
12
7
13
6
14
5
15
4
16
3
17
2
18
1
19
0
19
9
20
8
21
7
22
6
23
5
24
4
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3
26
2
27
1
28
0
28
9
29
8
30
7
31
6
32
5
temperatura celdas de peltier
lm1 lm2 lm3
En la figura se observa el comportamiento de la temperatura en este caso mili voltios con
respecto al número de muestras en donde se puede observar que la temperatura que empieza
en temperatura ambiente empieza bajar rápidamente llegando aproximadamente a las ceros
grados en donde intenta mantenerse con pequeñas variaciones
Figura 16 datos temperatura ambiente y humedad prueba celdas de peltier ( autores)
Por otro lado tenemos el comportamiento de la temperatura ambiente y la humedad relativa
de donde se puede decir, que como en las pruebas anteriores al encender el sistema la
humedad relativa tiende a bajar un poco puede ser debido a que el sensor esta situado dentro
del compartimiento del sistema y la temperatura ambiente dentro del compartimiento no es
afectada por el sistema. Se opta por utilizar otro tipo de sistema debido que en esta prueba se
generaron 2ml que es aproximadamente equivalente a lo que se observa en la tabla 3
4.2.3 Condensación mediante uso del radiador
Como se menciona anteriormente las celdas de peltier generan cantidades muy pequeñas de
agua y su consumo energético es muy alto. Por esta razón se procede a probar un sistema de
refrigeración por medio de un gas refrigerante. El cual consta de cuatro elementos
fundamentales una unidad, un condensador, un evaporador y un filtro. El sistema
básicamente utiliza la unidad como un compresor para llevar el gas por el sistema. Saliendo
hacia el condensador que es donde se almacena el agua en forma de hielo, el gas sale hacia
el evaporador que sirve para sacar del sistema el calor y finalmente pasa por el filtro en
donde el gas pasa de gaseoso a líquido el allí se almacenan estos residuos.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1
13
25
37
49
61
73
85
97
10
9
12
1
13
3
14
5
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7
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9
18
1
19
3
20
5
21
7
22
9
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1
25
3
26
5
27
7
28
9
30
1
31
3
32
5
Pruebas celdas de peltier
tem amb. humedad
Figura 17 circuito de refrigeración (autores)
Básicamente se consiguieron los elementos necesarios para realizar el sistema y se acoplaron
a la estructura que se tenía en el primer prototipo. El condensador fue suministrado por el
grupo de investigación. la unidad que se utilizo fue de un octavo de tamaño y el evaporador
se consiguió en una tienda donde arreglaban neveras junto con el filtro
Figura 18 unidad refrigeración sistema radiador ( autores)
Teniendo todos los componentes necesarios para la fabricación del segundo prototipo se
procede a soldar y posteriormente a inyectar el gas por medio de los manómetros que se
utilizan donde se obtiene el resultado que se puede apreciar en la figura 19
Figura 19 sistema completo prototipo 2 (autores)
Después de verificar que efectivamente el sistema no tuviera fugas y que la carga había sido
hecha exitosamente. Se procede a realizar pruebas similares a las que se utilizaron en el
prototipo uno para verificar producción contra consumo en tiempo dado se realizan las
pruebas en los mismos lapsos de tiempo. Teniendo en cuenta que esta unidad funciona con
voltaje AC
Día Voltaje AC Corriente Humedad Temperatura
ambiente Tiempo de
Prueba ml
agua
1
118.5 v 4.2A 65%-61% 17.1°C 30min 18
118.5v 4.2A
63%-58%
18°C
30min 19
Tabla 4 Datos obtenidos con sistema radiador (autores)
Con respecto al prototipo anterior de este se puede decir que se debe tener en cuenta que la
unidad al ser un motor tiene una corriente nominal alta pero en un corto tiempo, lo que es un
punto importante al tener en cuenta para la alimentación del sistema. Además el consumo
energético y la producción es mucho mayor.
Figura 20 cantidad de agua generada sistema radiador ( autores)
Cabe decir que para la recolección del líquido en este prototipo se hace por gravedad y la
prueba consistió en encender el sistema por 30 minutos, donde el sistema condenso una capa
de agua en forma de hielo y al desconectarla deja que vuelva a temperatura ambiente
haciendo que el agua empiece a gotear
Figura 21 grafica temperatura ds18b20 sistema radiador (autores)
De donde en la figura se puede mostrar el comportamiento de la temperatura en la prueba
mostrándonos que la temperatura promedio es de tres grados. También hay que nombrar que
la parrilla se congela por tanto los sensores de temperatura lm35 no servían para la prueba,
se utiliza un sensor sumergible en este caso ds18b20 , el cual es mucho más preciso como se
-5
0
5
10
15
20
13
46
71
00
13
31
66
19
92
32
26
52
98
33
13
64
39
74
30
46
34
96
52
95
62
59
56
28
66
16
94
72
77
60
79
38
26
85
98
92
92
59
58
Temperatura colector
puede observar en la Figuta21 . Pero presenta una dificultad mayor, para leerlo se utiliza su
propio protocolo de comunicación que es ONE WIRE
Figura 22 grafica humedad relativa en tiempo prueba (autores)
El comportamiento en este caso de la humedad cambio bajo y subió no siendo afectado por
el sistema como el caso anterior lo cual es óptimo para el sistema debido a que se planea
calcular el punto de roció con este sensor. Los datos se tomaron igual que para el prototipo
anterior. Debido a los resultados se opta por que este sea el camino para desarrollar el
proyecto y se plantea hacer un control de temperatura manejando la cantidad de gas que llega
al sistema.
4.2.4 Modificaciones del sistema de condensación a partir de radiador
Observando la viabilidad para producción de agua, se intenta implementar un sistema el cual
permita controlar la temperatura del condensador. Para que no llegue a punto de congelación
si no que la temperatura se mantenga en el punto de roció, para condensar el agua lo más
pronto posible además, el consumo de energía seria menor. Se opta por implementar en el
sistema una valvula marca festo ref 111B-87JB debido a que el tamaño de la tubería del
sistema de refrigeracion es muy pequeño y no existen comercialmente válvulas. Se intenta
adaptar esta .
45
46
47
48
49
50
51
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53
54
1
29
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1
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5
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3
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1
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9
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1
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9
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7
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5
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3
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1
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9
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7
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5
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3
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1
86
9
89
7
92
5
95
3
Humedad relativa
Figura 23 válvula propuesta para control temperatura sistema radiador (autores)
Se procede entonces a retirar el gas del sistema y a adecuar la válvula en un punto cerca a la
entrada del condensador, además de hacer una realimentación con otra tubería intentando
evitar que se bloquee el sistema y se procede a realizar pruebas de funcionamiento del
sistema. Cuando se empezaron a realizar las pruebas observamos que el sistema trabaja
aproximadamente dos minutos y luego de esto se apaga la unidad sucediendo en repetidas
ocasiones lo que hace llegar a pensar que el sistema se está bloqueando debido a que la unidad
se apaga para proteger y no dañarse.
Figura 24 sistema prototipo 2 con valvula ( autores)
Con los resultados de la prueba se observa que no es viable realizar el control de temperatura
por medio de una válvula. Como última prueba para este prototipo nos damos cuentan que la
parrilla del condensador que se compró, tiene internamente una resistencia y se plantea la
posibilidad de hacer pruebas al sistema dejando trabajar. Hasta generar una capa grande de
hielo y posteriormente a encender la resistencia para descongelar el agua teniendo los
siguientes resultados
Día Voltaje AC Corriente Humedad Temperatura
ambiente Tiempo de
Prueba ml
agua
1
118.5 v 4.3A 67%-62% 17.1°C 30min 9
118.5v 4.1A
65%-61%
18°C
30min 10
Tabla 5 datos de prototipo dos usando la resistencia del colector (autores)
De esas pruebas observamos, que la cantidad de agua que se pudo obtener a pesar de poder
descongelarla en un tiempo muy cortó. Es casi la mitad de la que genera el sistema esto
acontece por que la resistencia alcanza a evaporar el resto del líquido. Lo que haría el sistema
ineficiente. Se plantea entonces generar un prototipo final con modificaciones para poder
controlar la temperatura debido a que es uno de los objetivos del proyecto
4.2.5 Sistema de condensación con radiador aislado
Como se puede observar anteriormente con el desarrollo de este sistema se busca quitar
errores cometidos con los anteriores, pero usando el mismo principio de funcionamiento de
radiador. Para este sistema primero se busca mejorar el consumo de energía, se procede a
conseguir un condensador más pequeño y un evaporador más pequeño. Esto con el fin de
limitar la cantidad de gas que corre por el sistema, debido a que dependiendo de la cantidad
de gas la unidad trabaja y por tanto de esto depende el consumo de corriente del sistema. Se
debe intentar que sea el menor posible, debido a que para conectarlo a la batería se debe hacer
el uso de un inversor porque a pesar de buscar una unidad de 12 voltios que venden
comercialmente, por costo no se puso acceder a ella. También se busca aislar el condensador
para poder controlar la temperatura de alguna forma. Para ello se consigue el recubrimiento
de un mini bar, también agregando un vidrio para poder observar el funcionamiento. Además
de poder acceder fácilmente a en el caso de tener que hacer modificaciones, también
agregando un agujero para ingresar aire por medio de un ventilado o turbina y se adecuan
tanto unidad y evaporador al recubrimiento.
g
Figura 25 sistema de aislamiento del condensador (autores)
Teniendo todo el sistema ensamblado se procede entonces a realizar las respectivas pruebas
de generación de agua haciendo pruebas durante la misma cantidad de tiempo, utilizando los
mismos sensores que en las pruebas anteriores. Para evaluar si los cambios realizados si
generan optimización del proceso. Pero primero se carga el gas al sistema para el prototipo
anterior y este usamos un gas comercial que es común encontrarlo en unidades de llamado
134ª que también fue utilizado para el sistema de radiador
Figura 26 gas a implementar sistema radiador aislado ( autores)
Como se esperaba al tener una superficie menor por la que debe circular el gas. la cantidad
de gas que se inyecta al sistema es mucho menor, por tanto se ve reflejado en el consumo que
paso a ser prácticamente una cuarta parte que en el prototipo anterior lo que está muy bien
para que no cause problemas al adecuar la alimentación del sistema . Frente a producción
esta genera prestamente la misma cantidad que el prototipo anterior, se decide entonces usar
este sistema y hacer las adecuaciones necesarias para completar los requisitos del proyecto.
Día Voltaje AC Corriente Humedad Temperatura
ambiente Tiempo de
Prueba ml
agua
1
119.0 v 1.1A 65%-60% 17.5°C 30min 19
119.0v 1.2A
65%-61%
18.2°C
30min 20
Tabla 5 datos obtenidos de funcionamiento prototipo final ( autores)
Cabe resaltar que se observó que el ingreso de aire ayuda a aumentar la producción,, la
ubicación que se le dio al condensador permite. Por gravedad recolectar más fácilmente el
líquido, no tenido que hacer uso de la jeringa de recolección como en los prototipos
anteriores. Lo que nos lleva a pensar una forma recolectarla podría consistir en un recipiente
con desnivel que permita acumular el agua
Figura 27 sistema de condensación trabajando ( autores)
También se cree probable que se puede controlar la temperatura del condensador a partir
del ingreso del aire pero consiguiendo un ventilador adecuado. El cual se debe conseguir y
realizar las pruebas en el desarrollo del control
4.2.6 Rendimiento de las pruebas implementadas
PROTO TIPO VOL TAJE CORRI ENTE HUMEDAD TEMPERATURA
AMBIENTE TEMPERATURA
MINIMA
AGUA OBTENIDA
celdas 12,5
V 9 A 55% 17°C- 19°C 0°C 2 ml
radiador 118.5 4.2A
59% 16°C-19ºC
-3ºC 19 ml
radiador a. 11,6
V 1.2 A
53%
17°C- 19°C -17°C 18 ml
Tabla 6 resultados promedios de las pruebas a los sistemas implementados (autores)
Los datos anteriores son un promedio de los datos obtenidos con los prototipos, en donde se
puede apreciar la evolución durante el desarrollo de los prototipos .se observa como aumenta
la producción del líquido y finalmente como disminuye el consumo energético, el cual es
vital debido a que el sistema se plantea ser auto sostenible.
5 Instrumentación
5.1 Diagrama solución del sistema
Para el desarrollo del prototipo entregable del proyecto, se desarrolló en un diagrama donde
se explican los módulos en los que fue dividido para un fácil y mayor entendimiento
Figura 28 diagrama de solución
Bloque energía renovable: para la obtención de energía renovable se hace el uso de un panel
solar, el cual trabaja a 12v y un controlador de carga el cual se encarga de recargar la fuente
de alimentación
Bloque fuente de alimentación: este bloque es el encargado de dar la energía de
alimentación a todo el sistema, se decide usar una batería de 12v recargable de un amperaje
36A que permita trabajar bien a todos los componentes del sistema además de ser de ciclado
profundo para que permita descargar y recargar la batería muchas veces
Bloque de adecuación de voltaje: en este bloque se encuentra dos elementos importantes el
primero de ellos un inversor AC-DC para poder alimentar el compresor con la batería y el
otro un regulador DC-DC para bajar voltaje y poder alimentar el controlador
Bloque Conversión H/A: Para la condensación se utiliza un sistema de refrigeración y se
toma el líquido que se acumula en el radiador del sistema
Bloque recolección agua: este bloque tiene dos partes primeo almacenar el agua por medio
de la ayuda de la gravedad y la segunda es un tanque en donde está el líquido hasta que sea
solicitado por el usuario
Bloque Controlador: El bloque controlador es donde se encuentra el dispositivo que estará
encargado de realizar todo el control al sistema, para este proyecto se utiliza una raspberry
pi a la cual se le realizaran las adecuaciones para reconocer los sensores necesarios
Bloque programación: este bloque es donde se programará el dispositivo. con la lógica
necesaria para leer los sensores que se utilicen y el actuador, además de controlar o enviar
datos a la interfaz para que se pueda saber en todo momento que está sucediendo con las
variables del sistema . Para este caso se utiliza el software de programación Codesys
Bloque interfaz: como su nombre lo indica es una interfaz en donde se puede visualizar
como está trabajando el sistema, de acuerdo a sus sensores e interactuar sobre alguna de las
variables del sistema la interfaz para este caso se realiza en el software Codesys
Bloque sensores: en este bloque es donde se encuentran los sensores que son para monitorear
el sistema. Para nivel se usa un sensor de nivel por alto, la temperatura se mide mediante un
sensor DS18B20 . La calidad del aire con un MQ135 y para medir la humedad junto a la
temperatura ambiente un DHT22 .podrían variar el sensor de acuerdo a las pruebas que se
realicen durante la ejecución del proyecto
5.2 Sensores
Sensores de Temperatura
La temperatura se puede medir utilizando un dispositivo el cual transforma los cambios de
temperatura en cambios en señales eléctricas los cuales son procesados por equipo eléctrico
o electrónico, existen diferentes tipos. Todos ellos infieren la temperatura al detectar algún
cambio en una característica física. Hay varios tipos de sensor de temperatura: termopares,
dispositivos de temperatura resistivos (RTD y termistores), radiadores infrarrojos,
dispositivos bimetálicos, dispositivos de dilatación de líquido, y dispositivos de cambio de
estado.
Los sensores de temperatura se utilizan para variados propósitos, como el control de sistemas
de refrigeración, laboratorios, procesos automotrices, siendo generalmente utilizados en
procesos industriales. La medida de la temperatura ocurre típicamente en líquidos o a través
de contacto con la superficie. La medida del contacto no se requiere siempre, sin embargo
existen en el mercado los sensores que pueden hacer una medida de calor sin contacto físico.
Esto se hace normalmente con el uso de la tecnología infrarroja Fuente especificada no
válida.Para seleccionar un sensor existen varias consideraciones que se deben tener en
cuenta, el proceso de selección depende de las necesidades del diseño, el sensor debe ser
capaz de medir una gran gama de temperaturas con el mínimo error posible, así como también
la velocidad de respuesta de éste.
Sensores Integrados de temperatura
Existen gran número de fabricantes que producen Circuitos integrados, los cuales son muy
adecuados para medir temperaturas. Estos circuitos son utilizados generalmente para medir
temperaturas cuando se usa un sistema de toma de datos.
Estos circuitos, por lo general tienen tres pines: tierra, alimentación (Vc entre 5 a 15V) y una
salida. Estos circuitos producen una señal muy lineal y calibrada, por lo general producen
ente 1 y 10 mV/C. El rango usual de estos termómetros se encuentran normalmente entre los
-10ºC y 120ºC. Estos sensores integrados, son de bajo costo, hay gran variedad en el mercado,
con un error de aproximadamente 0.5 °C.Las Ventajas de los Sensores Integrados son la
linealidad, fácil calibración y bajo costo. Trabajan con rangos de voltajes, los cuales permiten
fácil interacción con otros dispositivos. Gracias a estas prestaciones se elige el sensor de
temperatura DS18B20
Figura 29 Sensor de temperatura DS18B20 con características
PARA
METR
O
SYMBO
L
CONDICION MIN TY
P
MA
X
UNI
TS Supply
Voltage
VDD Local power (Note 1) +3.0 +5.5 V
Pullup Supply
Voltage
VPU Parasite power
(Notes
1, 2)
+3.0 +5.5
V Local power +3.0 VD
D
Thermometer
Error
tERR -10°C to +85°C
(Note
3)
±0.5
°C -55°C to +125°C ±2
Input Logic-
Low
VIL (Notes 1, 4, 5) -0.3 +0.8 V
Input Logic-
High
VIH Local power
(Notes
1,6)
+2.2 The
lowe
r of
5.5
or
VDD +
0.3
V Parasite power +3.0
Sink Current IL VI/O = 0.4V 4.0 m
A Standby
Current
IDDS (Notes 7, 8) 750 1000 nA Tabla 7 Parámetros eléctricos de DS18B20
El DS18B20 utiliza el protocolo de comunicación 1-wire. 1-Wire es un protocolo de
comunicaciones en serie diseñado por Dallas Semiconductor. Está basado en un bus, un
maestro y varios esclavos de una sola línea de datos en la que se alimentan y que se utiliza
para el intercambio de datos. Por supuesto, necesita una referencia a tierra común a todos los
dispositivos.
Figura 30 Comunicación ONE-WIRE DS18B20
Características protocolo 1-wire:
Cada dispositivo tiene un número de identificación, único e
Inalterable (64 bits).
El maestro inicia y controla la comunicación.
Esta comunicación se produce mediante Time Slots de 60
Microsegundos.
Los esclavos se sincronizan con el reloj del maestro a través de la línea.
La comunicación se realiza en tres fases:
1. Reset/Sincronización de dispositivos.
2. ROM Command, seleccionar un dispositivo.
3. Función con uno de los dispositivos (Memory Command).
Algunas veces la comunicación puede reiniciarse después de hacer un
Comando de ROM, si así lo considera el master.Fuente especificada no válida.
Sensor de Humedad y Temperatura DHT 22:
Es un sensor de humedad y temperatura de bajo costo con una interfaz digital. El sensor está
calibrado y no requiere componentes adicionales por lo que basta con conectarlo para
comenzar a tomar mediciones de humedad relativa y temperatura. El Sensor de humedad y
temperatura DHT22 usa un protocolo de comunicación serial propio que ocupa sólo una
conexión en uno de sus pines.
Figura 31 DHT22 y características
Sensor de calidad del aire:
La materia prima para la obtención del agua en proyecto es la humedad en el aire, por esta
razón resulta lógico establecer un monitoreo constante de las condiciones en cuanto a calidad
y características en tiempo real de la calidad del aire en el entorno y basado en ello se
determina la operación o no del dispositivo.
Para monitorear esta variable se utiliza un sensor I2C VOC / eCO2. Sensor de Calidad del
Aire CCS811 fabricante: Adafruit. Este sensor de AMS es un sensor de gas que puede
detectar una amplia gama de Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) y está diseñado para
monitorear la calidad del aire en interiores. Cuando se conecta a su
microcontrolador devolverá una lectura de Compuestos Orgánicos Volátiles Totales
(TVOC) y una lectura equivalente de dióxido de carbono (eCO2) sobre protocolo I2C.
También hay un termistor incluido que se puede utilizar para calcular la temperatura
ambiente local.
Características:
Mide la concentración de eCO2 (dióxido de carbono equivalente calculado) dentro
de un rango de 400 a 8192 partes por millón (ppm)
Mide la concentración de TVOC (Total Volatile Organic Compound) dentro de un
rango de 0 a 1187 partes por billón (ppb).
Según la hoja técnica puede detectar Alcoholes, Aldehídos, Cetonas, Ácidos
Orgánicos, Aminas, Hidrocarburos Alifáticos y Aromáticos
Dentro del proyecto El CCS811 es utilizado usando su pin de interrupción configurable el
cual se activa cuando una conversión está lista y / o cuando una lectura cruza el umbral
establecido previamente.
Figura 32 MQ135 y características
Actuadores
Son dispositivos finales que permiten operar las variables a controlar en un automatismo,
compuesto por elementos que ejercen de interfaces de potencia, convirtiendo magnitudes
físicas en otro tipo de magnitud que permite actuar sobre el medio o proceso a controlar.
También son un mecanismo que aísla la parte de control del sistema de las cargas que
gobiernan el proceso, Para el desarrollo del proyecto se utilizaran como actuadores los relés
de estado sólido.
Relé de estado sólido: es básicamente lo que su nombre indica, un integrado que actúa como
un relé mecánico. Los relés de estado sólido tienen ventajas con respecto al modelo
mecánico. Permite controlar grandes cargas con voltajes bajos y con mucha menos intensidad
necesaria ya que al no tener bobinado la corriente de conmutación es mínima. También, al
no tener piezas mecánicas, pueden ser conmutados mucho más rápido y su duración es mayor
que un relé convencional.
Figura 33 Relevo estado solido
Ventilador: Es un dispositivo electromecánico giratorio cuya función es la de impulsar un
flujo de aire Un ventilador de ordenador consta de varias partes: el motor, la circuitería de
control del motor, el conector, el rotor (las aspas) y el marco del ventilador.
Figura 34 Ventilador de servidor
Figura 35 Circuito medición rpm y control velocidad interna del ventilador
El sensor Hall es un circuito que permite detectar la velocidad de giro del ventilador
Control de velocidad del ventilador: El motor del ventilador dispone de una circuitería
interna. Ésta circuitería se puede utilizar para regular la velocidad del ventilador. Existen dos
formas fundamentales de regular esta velocidad:
Voltaje: Se puede variar la velocidad de un ventilador disminuyendo el voltaje de entrada al
electroimán. Un menor voltaje generará un campo electromagnético de menor fuerza y
provocará que el motor gire más despacio. Ésta es la forma más sencilla de regulación de
velocidad de un ventilador.
PWM: Se puede regular la velocidad de un ventilador conectando al electroimán un voltaje
a pulsos en lugar de un voltaje constante. Los pulsos de voltaje se convierten en “impulsos”
al electroimán, y al reducir el tiempo que se está aplicando fuerza sobre el electroimán, se
reduce efectivamente la velocidad del mismo. Estas señales a pulsos se conocen como señales
PWM (“Pulse Width Modulation”). Una señal PWM tiene dos características importantes:
Frecuencia: Las señales PWM que se utilizan para regular ventiladores son normalmente
ondas cuadradas periódicas de 12V, El tiempo de cada repetición (nivel alto más nivel bajo
de señal) se conoce como periodo de la señal. El inverso de este tiempo es lo que se conoce
como frecuencia y se mide en hercios. Por ejemplo, si el periodo de la señal es de
50us.entonces la frecuencia correspondiente de esa señal es 1/50ns = 20 KHz. La frecuencia
de la señal PWM no afecta en absoluto a la velocidad de un ventilador,
Ciclo de trabajo: (“duty cycle”): La proporción del tiempo que está la señal a nivel alto con
respecto al tiempo que está a nivel bajo en cada periodo es lo que se conoce como ciclo de
trabajo. Esto es lo que realmente afecta a la velocidad del ventilador. Un regulador PWM de
velocidad de un ventilador lo que hace realmente para variar la velocidad es variar el ciclo
de trabajo. [8]
Ventiladores de 4 pines PWM
Estos ventiladores incluyen también el sensor Hall, pero además tienen dos entradas
diferentes para la alimentación de los circuitos y el control PWM. Como hemos visto
anteriormente al hablar del motor, en el esquema de la circuitería de ventiladores de 4 pines
PWM, el sensor Hall (y el resto de circuitería de control) están permanentemente alimentados
con 12V, y el electroimán se controla con el cuarto pin, al que se conecta una señal PWM de
alta frecuencia.
El estándar de funcionamiento de estos ventiladores está especificado en este documento. El
esquema de pines es el siguiente, aunque muy pocos fabricantes siguen el esquema de colores
fijado en el estándar:
Para nuestro proyecto tras realizar pruebas con diferentes modelos, se implementó un
ventilador referencia PFC0612DE-F00 por ser este quien ofreció mejor eficiencia y mayor
flujo de aire dentro de la gama de ventiladores 12 VDC
técnica/de Catálogo PFC0612DE-F00
Proveedor Delta Product Groups
Categoría ventiladores, Gestión térmica
voltaje-Nominal 12VDC
potencia (W) 16.8 W
Tipo De rodamiento Bola
tamaño/Medidas Square-60mm L x 60mm H x 38mm W
el Flujo de aire 67.8 CFM (1.92 m? 3;/min)
Características Control PWM; Sensor de Velocidad (Tacómetro)
Terminación 4 Cables de Alambre
Tipo De ventilador tubo axial
Ruido 61.5 dB (A)
RPM 12000 RPM
Presión estática 2.129 en H2O (530.3 Pa)
Peso 0.287 libras (130.12g)
rango de Corriente 1.40ª
Rango de voltaje 10.8 ~ $ number VCC
Temperatura de funcionamiento 14 ~ 140 ° F (-10 ~ 60 ° C)
la Esperanza de vida 50000 horas 40 ° C
Tabla 8 de características ventilador
Figura 36 Diagrama flujo aire del ventilador
5.2 Alimentación del sistema
Basándonos en el hecho de que el proyecto está dirigido para dar solución a una problemática
en la población que está ubicada en zonas áridas y por ende de gran intensidad de radiación
solar. Se tiene en cuenta el estudio realizado por la UPME en el cual se evalúa la radiación
solar en Colombia, La intensidad de la radiación solar en la región Andina colombiana
muestra que las zonas de los valles del Cauca y Magdalena poseen el mayor potencial de esta
región, y a medida que se asciende hacia las cimas de las cordilleras ese potencial va
disminuyendo gradualmente, con excepción de algunos núcleos localizados en zonas
llamadas altiplanos, donde se observa un potencial solar mayor comparado con el de las
laderas. En las regiones costeras: atlántica y pacífica, los resultados de la evaluación del
recurso solar del país muestran en la región noreste de la costa atlántica (La Guajira) un
potencial solar promedio diario entre 5,0 y 6,0 kWh/m2, el mayor del país. Este valor va
disminuyendo gradualmente en dirección sur-oeste hacia la costa pacífica, donde se presenta
el menor potencial solar del país, con valores menores de 3,5 kWh/m2, aunque posee una
gran zona con valores entre 4,0 y 4,5. Las regiones de la Orinoquia y Amazonia, que
comprenden las planicies de los Llanos Orientales y zonas de las selvas colombianas,
presentan una variación ascendente de la radiación solar en sentido suroeste-noreste,
verificándose valores asimilables a los de La Guajira en el noreste (Puerto Carreño).[10]
REGIÓN kW h/m2/año
Guajira 1.980 - 2.340
Costa Atlántica 1.260-2.340
Orinoquia 1.440 - 2.160
Amazonia 1.440 - 1.800
Andina 1.080 - 1.620
Costa Pacífica 1.080 - 1.440
Tabla 9 Rango anual de disponibilidad de energía solar por regiones
Como se sabe, el sol es una gran fuente de energía. Cada segundo, el Sol genera una potencia
de 4x1023 kilovatios. Es decir, en este breve intervalo de tiempo irradia mucha más energía
que la consumida por la humanidad desde su creación. Esta energía llega a la tierra en forma
de radiación solar (tanto directa como difusa). Los valores de radiación solar no sólo cambian
a lo largo del día, sino que también se producen variaciones a lo largo del año debido a la
posición del ángulo del sol con el horizonte. Al mediodía, en verano, los valores de radiación
pueden llegar a ser del orden de 1000 W/m2 cuando el sol se encuentra en su cenit. Este nivel
de radiación se define como el correspondiente a una masa de aire (AM) igual a 1, donde se
ha tenido en cuenta el paso de la radiación solar a través de la atmósfera terrestre. Por el
contrario, en condiciones de baja radiación (cielo cubierto), apenas se alcanzan los 100
W/m2.[12]
La tecnología fotovoltaica se basa en el fenómeno físico que convierte directamente la
radiación solar (electromagnética) en corriente eléctrica, en un dispositivo llamado célula
fotovoltaica. Las células modernas están fabricadas con materiales semiconductores, donde
la energía que liga los electrones de valencia (electrones de la última capa) con su núcleo (de
carga positiva), es similar a la energía de los fotones que constituyen la luz solar. Al incidir
ésta sobre el material semiconductor (generalmente silicio), sus fotones suministran la
cantidad de energía necesaria a los electrones de valencia como para que se rompan los
enlaces y queden libres para circular por el semiconductor, formando así una corriente
eléctrica.
Figura 37 célula solar
Cuando una célula solar se conecta a una carga y es iluminada, se genera una diferencia de
potencial a través de la carga y la corriente circulará saliendo de la célula por el terminal
positivo y regresando por el negativo. Bajo estas condiciones, la célula funcionará como un
generador de energía. Cada célula de silicio produce aproximadamente 0,5 V DC en
condiciones buenas de radiación solar. Para producir voltajes mayores, se debe conectar
varias células en serie en un módulo[13]
Panel solar
Los paneles solares son los elementos cuya misión es captar la energía solar incidente para
generar una corriente eléctrica. Las células solares constituyen un producto intermedio de la
industria fotovoltaica ya que proporcionan valores de tensión y corriente muy pequeños, en
comparación a los requeridos normalmente por los aparatos convencionales. Son
extremadamente frágiles, una vez fabricadas, deben ser ensambladas de la manera adecuada
pare constituir una estructura Única, rígida y hermética. Se encuentran en diferentes
referencias, entre los más comunes son los paneles mono cristalinos y poli cristalinos con
uniones en serie de sus células que entregan de 12 -18 voltios para uniones de 36 células, y
los 24- 34 células voltios para uniones de 72 células, los voltajes de trabajo son 12 V, 24 V
y 48 V.
Figura 38 panel solar para el proyecto
Características físicas
- Tipo de celdas: poli cristalino
- Estructura: Marco de aluminio de 3,5 cms de grosor
- Cubierta: Vidrio temblado de alta transparencia
- Sello posterior: Membrana Tedlar
- Conectores: Cables de ± 90 cms con terminales MC4
- Medidas: 1130x670x35
- Puede cargar una batería de AGM de 70Ah en un día completo al sol
- Se puede usar directamente en artefactos de 24V DC de hasta unos 60W de consumo
Potencia Máxima (W) 100,38
Tolerancia (%) ± 3%
Tensión de circuito abierto (VOC) 22,02
Tensión de alimentación máxima (Vmp) 17,36
Corriente Máxima de Potencia (Imp) 5,69
Corriente de Cortocircuito (ISC) 6,29
Eficiencia del módulo (%) 14,7
Eficiencia de la célula solar (%) 17,1
Rango de fusible en serie (A) 10
Caja terminal IP65
Tensión Máxima del sistema (V) DC 1000
Temperatura de funcionamiento (°C)
Dimensiones (Cms) 67x101,6
Tabla 10 características eléctricas del panel de 100W.
-40°C a 85°C
Batería:
El uso de baterías permite proveer una intensidad de corriente superior y constante. Las
baterías comerciales son fabricadas con pequeños acumuladores de 2V integrados en el
mismo elemento; tiene son fabricadas a voltajes de 6, 12, 24 o 48V. Se pueden clasificar en
dos tipos baterías de ciclo bajo y de ciclo profundo.
.
Profundidad de descarga: Indica qué cantidad de la capacidad total de una batería ha sido
descargada. Por ejemplo, si una batería se ha descargado hasta llegar al 40 % de su capacidad
nominal, entonces ha sufrido una profundidad de descarga del 60 %. Las descargas profundas
siempre acortan la vida de una batería, sin importar de qué tecnología se trate. Por ejemplo,
una batería que dura 300 ciclos de carga y descarga al 80 % de su capacidad puede durar 600
ciclos si sólo se descarga al 50 %.
Densidad de energía o energía específica: Es la medida de cuánta energía puede extraerse
por unidad de batería, peso o volumen.
Densidad de potencia o potencia específica: Con este parámetro se indica cuánta potencia
puede extraerse por unidad de batería, peso o volumen. En analogía con un automóvil
convencional, la densidad de energía corresponde al tamaño del tanque mientras la densidad
de potencia corresponde al número de octanos del combustible.
Tasa de auto descarga: Debido a corrientes internas de fuga, una batería tiende a descargarse
cuando se deja desconectada por mucho tiempo; qué tan rápido, depende del tipo de batería
y de su edad. Temperatura: El rango de temperatura de operación es importante para
determinar si una batería es adecuada para una aplicación y para saber si está operando en
una región segura. A temperaturas altas se esperaría un aumento en la capacidad, aunque esto
traería consigo un envejecimiento prematuro de los electrodos. Por otra parte, debido a su
composición, ciertas baterías pueden explotar cuando alcanzan temperaturas por encima de
sus límites recomendados. Ciclo de vida: Es el número de ciclos de carga y descarga a los
cuales puede someterse una batería antes de mostrar un deterioro considerable.
Selección de batería: El cálculo que se realiza para el dimensionamiento de la batería debe
tener en cuenta la Capacidad. Que es la cantidad de energía que puede suministrar la batería
en unas de terminadas condiciones de trabajo. Se expresa en amperios-hora (Ah). La
capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la velocidad de descarga.
Se conoce la energía que consume el sistema que es de 400 Wh, si todos los subsistemas
están trabajando continuamente, lo cual no sucede porque el diseño se optimizo para que la
eficiencia fuera la mejor posible. Es decir cada subsistema tiene un ciclo de trabajo reducido
de menos del 30%
𝐼𝐴ℎ =𝑊𝑡
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎=
400 𝑊ℎ
12𝑉= 34 𝐴ℎ (22)
Factor de corrección:
Rendimiento de la Batería: Las Baterías no se descargan al 100% de su carga, con lo cual
debemos tomar como potencia utilizable el 50% de la capacidad de la batería. Para asegurar
el funcionamiento del proyecto se dimensiona por el doble del consumo de energía.
Rendimiento de Baterías (%50): 400 Wh x 2 = 800 Wh (23)
Factor de transformación: tenemos una carga de Corriente Alterna, por la que se utiliza un
inversor, esto agrega a la ecuación un 10% aproximado adicional que se pierde en la
transformación.
800 Wh + 200 Wh = 1000 Wh (24)
Teniendo en cuenta los anteriores factores se tiene:
𝐼𝐴ℎ =𝑊𝑡
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎=
1000𝑊ℎ
12𝑉= 83 𝐴ℎ (25)
Se selecciona la batería Netion de 12 V /80Ah diseñada con AGM (Absorbent Glass Mat),
fabricada con placas de alto rendimiento y electrolitos brindan un mayor rendimiento y son
usadas para aplicaciones generales como UPS, telecomunicaciones, usos eléctricos
generales, además posee ciclado profundo para gran cantidad de cargas y descargas[20]
Tabla 11 características eléctricas de la batería
Controlador de carga
El Controlador de carga se utiliza en sistemas de energía solar fotovoltaica autónomas. El
regulador de carga tiene la función de regular la corriente que absorbe la batería para que
nunca se sobrecargue peligrosamente. Detecta y mide constantemente el voltaje de la batería,
mide su estado de carga y, si éste llega a un valor previamente establecido que corresponda
al valor de tensión máxima admitida, suspende el flujo de corriente hacia la batería o permite
que pase sólo una parte para mantener la batería en estado de plena carga, sin
sobrepasarse. Esta corriente mínima se denomina corriente de flotación y se da cuando la
batería está a plena carga y recibe sólo la energía suficiente para mantenerla en ese estado.
Figura 39 Conexión controlador de carga solar
Selección del Voltaje
Seleccionar un controlador de carga que sea compatible con el voltaje del sistema electrónico
y el panel solar, para el proyecto el voltaje seleccionado es de 12v. Se cableara la batería para
operar a 12 Voltios y se elige un controlador para operar a este voltaje.
Corriente máxima
El segundo factor a tener en cuenta consiste en seleccionar un controlador de carga con
capacidad de trabajar con la corriente de salida máxima del panel solar. La corriente máxima
de un panel solar es la corriente de corto circuito, este parámetro puede verse en la etiqueta
del panel o en hoja de especificaciones indicada como ISC.
Por recomendación del fabricante se debe tener un factor de seguridad para eventos aislados
en los que el panel solar puede producir un exceso de corriente de 25%, factor de seguridad
tomado para este proyecto es de 1.25[21]
𝑪𝒐𝒓𝒓𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 𝑹𝒆𝒈𝒖𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 = 𝑭𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒓𝒊𝒅𝒂𝒅 ∗ 𝑰𝑺𝑪𝑷𝒂𝒏𝒆𝒍 ∗ 𝑵𝒖𝒎𝒆𝒓𝒐 𝒅𝒆 𝒑𝒂𝒏𝒆𝒍𝒆𝒔
Para un panel solar con un ISC de 6.82 A. se podría producir un exceso de 1.7 A. en un día
soleado cuando está rodeado por una superficie reflejante Ej.: un espejo de agua; Por lo tanto,
tenemos un posible máximo de 8.52 A. El regulador comercial de carga de 10 A. Es el
dispositivo indicado.
Intensidad de salida
Un último criterio a tener presente para la escogencia del controlador de carga, es la corriente
que el dispositivo va suministrar a los diferentes equipos, para el proyecto se ha estimado un
consumo de valor 200W, para calcular la corriente total que debe entregar el regulador
realizamos el cálculo:
𝐼 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 = 1.25 ∗200𝑊
12𝑉= 20.83 𝐴
De los cálculos anteriores obtenemos los parámetros que nos permiten elegir por sus
cualidades técnicas el controlador de carga referencia LD2430S del fabricante LDSOLAR
Figura 40 Regulador de carga solar LD2430S
Tabla 12 características técnicas controlado
5.3 Diseño de la estructura
El proyecto está pensado para ser instalado en lugares remotos de difícil acceso, aislados de
puntos con comunicación, con poca población, clima inclemente y condiciones
medioambientales adversas. Es por esto que su diseño busca satisfacer las exigencias a las
cuales será expuesto. Como se prevé que el prototipo se convertirá en el corto plazo en una
maquina imprescindible de primer necesidad dentro de las comunidades, Se diseñó de manera
que pueda ser transportada, ensamblada y reparada con la mayor facilidad posible por
cualquier persona con un poco de capacitación, es por esto que se consideró que su estructura
fuera modular, es decir está dividido en cuatro partes de fácil ensamblaje
El sistema es hermético, aislado de factores medioambientales contaminantes externos, de
fácil mantenimiento y poco peso. Consiste en un gabinete hermético con paredes revestidas
tipo sándwich con alma de poliuretano de 174 mm con una puerta sellada en vidrio templado
de 8mm (para efectos didácticos), el cual contiene en su interior el dispositivo de obtención
de agua, un tanque de recolección de agua de 7 Litros con sensor de nivel y el serpentín de
enfriamiento de agua
Figura 41 diagrama variables proceso y variables controladas
Características del diseño final:Se diseñó para que cualquier persona con conocimientos
básicos de electricidad este en capacidad de prestar mantenimiento preventivo y correctivo,
La estructura está diseñada con la robustez necesaria para soportar maltrato producto de
golpes accidentales o paso de animales silvestres, para esto se aconseja un anclaje fijo al
piso, En cuanto al hardware electrónico se diseñó en módulos (tarjetas) de fácil acceso,
cambio y conexión, que no necesitan ajustes ni calibraciones externas. Los sensores y
actuadores utilizados son de bajo coste y muy comerciales, Para brindar soporte al software
de control se optó por un sistema que brinde buenas prestaciones de procesamiento
(Raspberry pi) y el almacenamiento del aplicativo OS y rutina de programación se realiza en
una memoria Micro SD, extraíble de bajo coste y fácil cambio. Sus partes susceptibles de
reparación son de fácil acceso y recambio. Los materiales con que se construyó son de bajo
coste. Todas las piezas son comerciales de fácil consecución.
Figura 42 vista delantera del sistema
6 Identificación del sistema La identificación del proyecto se va a hace por medio de experimentación, para lo cual se
deben generar las señales de identificación desde algún dispositivo, hallar un punto de
operación del sistema y aplicar las señales para mirar cual nos da una mejor aproximación,
para el desarrollo de esta tarea se hace uso de la tarjeta raspberry pi. Junto con un conversor
el DAC mcp4725 el cual funciona por protocolo I2C. Conectado a una turbina de ventilación
para trabajar como el actuador del sistema, también se usó un sensor de temperatura
DS18B20 el cual es el sensor del sistema, este se comunica por protocolo de comunicación
ONEWIRE .se hace uso de una licencia gratuita del software para programación de PLC
Codesys el cual junto con un complemento puede programar la raspberry atravez del puerto
Ethernet.
Figura 43 Código prueba sensor de temperatura y conversor DA( autores)
Lo primero que se hace es crear un nuevo proyecto en lenguaje de texto estructurado, agregar
un módulo maestro de I2C. Dentro del módulo maestro agregar un esclavo el cual sería el
módulo MCP4725 , agregando esto con una línea de código ya se puede controlar la salida
análoga. Por otro lado para leer el sensor de temperatura tiene que crear modulo maestro
ONEWIRE y un esclavo, pero para usar este sensor se debe conocer su nombre dentro de la
red, sabiéndolo se puede hacer el llamado de la variable que contiene el valor de la
temperatura. Para poder asignar la entrada y se procede a realizar el montaje de los
componentes y probar en físico su funcionamiento
Figura 44 pruebas de funcionamiento físicas temperatura y conversor DA( autores)
6.1 Generación de señales
Con los componentes necesarios para realizar la identificación se procede a realizar una
interfaz gráfica. Donde se controle la activación y desactivación de las señales, además de
una gráfica donde se puede visualizar la salida. Teniendo esto se procede a consultar como
generar las señales. El punto de trabajo para este sistema fue tomado con pruebas y se
encontró que 4v a que es el punto donde las variaciones de voltaje lo afecta los más mínimo
posible. Por otro lado una de los problemas en la identificación las señales paso cuadrada y
cuadrada deben tener su frecuencia de acuerdo al tiempo de estabilización del sistema por
ende primero se aplica la señal paso para identificar el tao de la señal.
Para generar la señal paso, básicamente es darle un valor a la salida analógica. Pero para las
otras señales nos encontramos con la dificultad de generarlas entonces investigando sobre
Codesys encontramos un complemento llamado OSCAT_BASIC que permite generar
señales PWM y con esto podemos crear la señal cuadrada a la frecuencia deseada, también
cuenta con la opción de generar la señal pseudoaleatoria. Entonces se descarga y con ayuda
del manual de usuario se generan las señales.
Figura 45 Código de generación de señales para identificación (autores)
Posteriormente se comprueban los resultados de la señal de salida atravez de la interfaz
gráfica, también realizando la conexión de salida hacia el actuador. Para estar completamente
seguros de que la salida si está realizando lo deseado. Obteniendo los siguientes resultados,
cabe decir que la señal paso cuadrada no se observa muy bien al igual que la pseudoaletoria
para este caso. Pero es a causa de que al ser un sistema de temperatura su comportamiento es
lento por tanto los cambios de las señales de identificación dependen de este.
Figura 46 Señal paso generada en Codesys (autores)
Figura 47 Señal paso cuadrada generada en Codesys (autores)
Figura 48 Señal cuadrada generada en Codesys(autores)
Figura 49 Señal pseudoaletoria generada en Codesys(autores)
Teniendo entonces el sensor del sistema, el actuador del sistema y la generación de las señales
de identificación, se puede empezar a realizar la toma de muestras de la identificación. Para
guardar los datos se procede a utilizar la aplicación que se utilizó en el los prototipos, creando
haci una base de datos en Excel. Se realiza la prueba tomando muestras cada dos segundos
debido a que en este tiempo se puede observar los cambios de la variable durante periodos
de 30 minutos cada una, de las pruebas de las señales. Primero se hace una prueba con la
señal paso, donde se encuentra que el sistema se estabiliza aproximadamente a los cinco
minutos. Por tanto el tao del sistema es aproximadamente un minuto . Por lo cual tomar
muestras cada dos segundos es más que suficiente para mirar los cambios de sistema
Figura 50 Datos tomados por el actuador señal paso (autores)
Figura 51 Datos tomados por el sensor señal paso (autores)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
1
21
41
61
81
10
1
12
1
14
1
16
1
18
1
20
1
22
1
24
1
26
1
28
1
30
1
32
1
34
1
36
1
38
1
40
1
42
1
44
1
46
1
48
1
50
1
52
1
-20
-15
-10
-5
0
5
10
1
20
39
58
77
96
11
5
13
4
15
3
17
2
19
1
21
0
22
9
24
8
26
7
28
6
30
5
32
4
34
3
36
2
38
1
40
0
41
9
43
8
45
7
47
6
49
5
51
4
53
3
Mientras tanto la señal pasó cuadrada género los siguientes resultados
Figura 52 datos tomados por el actuador señal paso cuadrada (autores)
Figura 53 Datos tomados por el sensor señal paso cuadrada (autores)
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
1
16
31
46
61
76
91
10
6
12
1
13
6
15
1
16
6
18
1
19
6
21
1
22
6
24
1
25
6
27
1
28
6
30
1
31
6
33
1
34
6
36
1
37
6
39
1
40
6
42
1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
1
17
33
49
65
81
97
11
3
12
9
14
5
16
1
17
7
19
3
20
9
22
5
24
1
25
7
27
3
28
9
30
5
32
1
33
7
35
3
36
9
38
5
40
1
41
7
La cuadrada genero
Figura 54 datos tomados por el actuador señal cuadrada (autores)
Figura 55 datos tomados por el sensor señal cuadrada (autores)
-25
-20
-15
-10
-5
0
1
27
53
79
10
5
13
1
15
7
18
3
20
9
23
5
26
1
28
7
31
3
33
9
36
5
39
1
41
7
44
3
46
9
49
5
52
1
54
7
57
3
59
9
62
5
65
1
67
7
70
3
72
9
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1
28
55
82
10
9
13
6
16
3
19
0
21
7
24
4
27
1
29
8
32
5
35
2
37
9
40
6
43
3
46
0
48
7
51
4
54
1
56
8
59
5
62
2
64
9
67
6
70
3
Y por último con la pseudoaleatoria
Figura 56 datos tomados por el actuador señal seudoaleatoria (autores)
Figura 57 datos tomados por el sensor señal pseudoaleatoria (autores)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1
13
25
37
49
61
73
85
97
10
9
12
1
13
3
14
5
15
7
16
9
18
1
19
3
20
5
21
7
22
9
24
1
25
3
26
5
27
7
28
9
30
1
31
3
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
1
13
25
37
49
61
73
85
97
10
9
12
1
13
3
14
5
15
7
16
9
18
1
19
3
20
5
21
7
22
9
24
1
25
3
26
5
27
7
28
9
30
1
31
3
6.2 Obtención función de transferencia
Después de realizar todo el proceso de toma de datos, se ingresan los datos al software Matlab
el cual por medio en complemento llamado ident, que hace uso el método de mínimos
cuadrados, ayudando a realizar la regresión que se aproxima a estimar la ecuación de la
planta. Lo primero a realizar es cargar los datos en Matlab. Después hacer llamado a ident y
cargar los datos en el complemento. Se arrastran hacia la ventana working data y se despliega
la opción process models, se hace la estimación la función de transferencia como un sistema
de primer orden sin retardo debido a que generalmente los sistemas de temperatura son de
ese orden
Figura 58 ident en Matlab con los datos de identificación tomados (autores)
Se compara de acuerdo a la estimación que tanto se aproxima a función de transferencia
Figura 59 función seleccionada para la identificación (autores)
Se observa que la mejor estimación es la 87.48 la cual es la señal paso, con valores mayores
al 80% en estimación es posible controlar el sistema, entonces se procede a tomar la ecuación
generada como nuestra ecuación de la planta dando doble clik en import models encima de
la gráfica azul obteniendo finalmente nuestra función de transferencia en dominio de Laplace
Figura 60 Función de transferencia del sistema Matlab (autores)
7 Control
7.1 Obtención de las constantes del controlador
Para optimizar el proceso de condensación se plante aplicar un controlador, que estime el
error del sistema, Debido a que se conoce la función de transferencia se plantea utilizar un
complemento de Matlab. Llamado sisotool el cual permite calcular controladores, como se
está trabajando con programación de PLC se depende de un tiempo de muestreo por lo cual
se debe pasar la función de transferencia de dominio de Laplace a dominio z utilizando la
transformada z y el ts con el que estén entrando los datos al sistema. Se pasa la función de
transferencia a Matlab y por medio c2d se aplica la transformada z obteniendo entonces con
tiempo de un segundo
Figura 61 función de transferencia discretizada en Matlab (autores)
Se tiene entonces ahora la función de transferencia que se tendría en mundo real, por lo tanto
a esta si le podemos aplicar las variaciones con el sisotool . el cual abre una ventana en donde
nos dirigimos a la opción compensador editor donde encontramos que por defecto el
programa coloca un controlador de tipo proporcional las primeras pruebas que se realizan es
mover el valor C entre cero y veinte debido a que son ganancias posibles en un sistema
proporcional real en Codesys si se coloca números mayores no aumenta de este punto , pero
se encuentra que el sistema no tiende a mejorar su respuesta debido a que necesitaría una
ganancia muy alta la cual simulada funcionaria pero no se podría implementar , con los
valores que se dieron el sistema presenta un error de tiempo de estabilización con lo que con
esta ganancia se estabilizaría en después de 166 minutos aproximadamente lo que nos hace
descarta control solo proporcional
Figura 62 diseño control proporcional (autores)
Entonces ahora se intenta probar con un sistema PI para lo cual se debe agregar el apartado
compensador editor en la parte que dice Dynamics un cero real y un integrador para
completar la función de transferencia del controlador. Ahora se procede a mover los polos
también el cero del sistema dejando la ganancia fija, observando el rlocus, la salida del
sistema a una respuesta paso. también el cuadro con el valor de las ganancias hasta encontrar
un punto óptimo en donde se pueda utilizar valores viables de integrador. En donde el tiempo
de estabilización sea el más corto posible. El error de estado estacionario y sobrepico más
bajo posibles hasta obtener finalmente
Figura 63 control proporcional integral diseñado en sisotool (autores)
Como se puede observar moviendo los parámetros se consigue llegar a obtener un sobre
impulso menor al 7% un error de estado estacionario 0 y tiempo de estabilización aproximado
de 275 segundos lo cual siendo un sistema de temperatura es un control aceptable , de donde
podemos saber nuestro valor proporcional es 20 mientras que para hallar el valor integral se
debe dar valores y despejar I de la ecuación que aparece en el apartado compensador Editor
0 = 20 ∗1602(𝑤 +
11602)
𝑤
0 = 32040 +20
𝑤
𝑤 =20
32040
𝑊 =1
1602= 0.0062421
7.2 implementación en software
Teniendo entonces los valores de nuestro controlador se procede a implementarlo en Codesys
para lo cual se debe hacer el llamado del módulo PID y configurar los parámetros que recibe
el bloque, donde ACTUAL es el valor del sensor, SET_POINT es el valor deseado KP,TN
,TV son los valores de las ganancias, YMIN,YMAX los valores límite de salida del actuador
para este caso es de 0 a 4095 debido a que ese conversor tiene una salida de 12bits
Figura 64 código controlador implementado en Codesys (autores)
Se deben asociar variables a una interfaz gráfica donde pueda ser controlado por el usuario.
Sin embargo se comprueba que el sistema funciona cambiando el setpoint y reprogramando
la tarjeta. Obteniendo que exitosamente el sistema fue implementado no demorándose para
llegar al setpoint más de cuatro minutos
8 Interfaz Grafica
8.1 comunicación por I2C
Para el desarrollo de la interfaz gráfica al igual que la identificación se utiliza el Codesys.
Pensando en que se necesitan adicionales apartes de los ítem para manejar el control de
temperatura, como que el punto de roció .el cual es un valor importante que debemos poder
observar o cuestiones como la calidad del aire, por que como condensar agua si el aire está
contaminado. El agua ya estaría contaminada O la posibilidad para apagar la unidad y un
interruptor para servir el agua
Buscando en el mercado se encontraron diferentes sensores para medir la humedad relativa.
Pero generalmente muy costosos que se ven limitados por el presupuesto del proyecto se
opta por utilizar uno que se ha utilizado en los prototipos el DHT22 pero se tiene la limitación
de que este sensor tiene su propio protocolo de comunicación lo cual es un problema para el
software Codesys por que utiliza programación en paralelo y el sensor utiliza ordenes
secuenciales.
Figura 65 comunicación para el sensor de humedad (autores)
Como también para leer el sensor de calidad de aire se necesita una entrada analógica, se ve
la opción de utilizar un microcontrolador como módulo de entradas .en este caso un arduino
nano porque investigando en la página de Codesys se desarrolló un módulo que permite la
comunicación por medio de I2C, entonces se descarga la librería y procede a implementar
con el programa actual en donde se debe crear un maestro I2C que sería Codesys y un esclavo
que sería el microcontrolador. Al micro se le debe quemar un código que viene en la librería
y allí podemos llamar las entradas del microcontrolador por medio de registros.
Como se hacen pruebas y funciona la comunicación correctamente. Entonces procedemos a
modificar el código que viene por defecto de la librería, agregando la librería que permite
leer el DHT22. Modificando el valor que envía las salidas analógicas, Para haci engañar al
microcontrolador y que crea enviar una entrada analógica cuando en realidad está enviando
la lectura de humedad o temperatura
Figura 66 códigos lectura I2C con el microcontrolador (autores)
8.2 realización interfaz grafica
Solucionando este problema ya se procede a realizar la interfaz en donde se agregan
elementos, que permitan visualizar el sensor de calidad del aire, la humedad relativa , el set
point que escoge el usuario también la temperatura ambiente y una gráfica donde se visualiza
el valor de la temperatura . Entradas como encender el sistema, modo manual, modo
automático, controlar la bomba por servir el agua, un sensor de nivel por alto para el líquido
asociando estas salidas como las digitales de la raspberry pi. que al estar programada en
Codesys permite realizar todas las tareas en paralelo
Figura 67 interfaz parcial creada en Codesys (autores)
9 Resultados
9.1 Implementación diagrama de flujo
Como ya se conoce como utilizar todos los elementos que se van a ingresar al sistema ahora,
se plantea un diagrama de flujo de control en donde se sigue la secuencia de trabajo del
sistema en los rasgos más importantes, porque si se realiza un diagrama incluyendo todas las
variables sería muy extenso y por tanto tedioso de entender. Se intenta que para una persona
ajena que observe el sistema pueda entender fácilmente como es su funcionamiento sin tener
que precisamente conocer el lenguaje de programación
Figura 68 Diagrama de flujo para la programación (autores)
9.2 Comportamiento del control
Para comprobar el comportamiento del control se procede a realizar pruebas en diferentes
horas del día y cambiando el setpoint de acuerdo al punto de roció que halla en el momento
de las pruebas. La primera de ellas se realiza en horas de la mañana donde se tiene una
temperatura de 14 ºC y una humedad del 49% por lo cual el setpoint para la prueba en este
caso seria 5ºC.
Figura 69 Datos control de temperatura en la mañana (autores)
Se puede observar como en las pruebas realizadas en horas de la mañana el sistema desciende
la temperatura hasta llegar al punto de roció donde se demoró algunos segundos en
estabilizarse pero se mantiene el setpoint con unos pequeños sobresaltos ocasionados debido
al ser un sistema de temperatura, la respuesta es un poco lenta. Para la siguiente prueba se
realiza en horas de la tarde con una temperatura de 19ºc y una humedad del 54% lo cual con
el punto de roció genera un setpoint en los 7ºc
Figura 70 Datos control de temperatura en la tarde (autores)
-1
1
3
5
7
9
11
13
15
1
31
61
91
12
1
15
1
18
1
21
1
24
1
27
1
30
1
33
1
36
1
39
1
42
1
45
1
48
1
51
1
54
1
57
1
60
1
63
1
66
1
69
1
72
1
75
1
78
1
Tem
per
atu
ra
Muestras
De donde se puede observar que la temperatura está llegando al setpoint deseado y está
manteniéndolo y finalmente se realiza una prueba en horas de la noche para donde se tienen
aproximadamente 15ºC y humedad del 50% por lo cual el setpoint para esta prueba queda en
los 6ºC. Con las pruebas realizadas se puede decir que el control está funcionando bien debido
a que se prueba en diferentes horas del día además se prueba con diferentes setpoint donde
el sistema está llegando fácilmente a ellos con la variación de la temperatura ambiente y la
humedad relativa.
Figura 71 Datos control de temperatura en la noche (autores)
9.3 Autonomía del sistema y producción
Como uno de los objetivos del proyecto es condensar al menos 100ml, se realizó en un la
prueba en horas de la mañana y la tarde para conocer cuánto tiempo aproximado se toma para
generar la cantidad de líquido haciendo la prueba en la ciudad de Bogotá en un día despejado,
cabe decir que estos datos pueden variar de acuerdo al clima y al lugar en que se realice dicha
prueba
Día Voltaje AC Corriente Humedad Temperatura
ambiente Tiempo de
Prueba ml
agua
1
12.5 v 9.8A 65%-60% 17.5°C 240min 101
12.3 v 9.6A
65%-61%
18.2°C
240min 102
Tabla 13 tiempos de prueba para producir 100 ml utilizando el control del sistema
Por otro lado se realizan pruebas y aproximaciones de autonomía del sistema teniendo en
cuenta que para prolongar la vida de la batería se hace las pruebas con una profundidad de
carga del 50% porque de lo contrario se empezaría a acortar la vida útil de la batería
Panel Solar CARGA Horas de
Trabajo Condiciones
DESACTIVADO SISTEMA DE
CONTROL 40
Batería con Carga
Completa
DESACTIVADO SISTEMA DE
REFRIGERACION 12
Batería con Carga
Completa
DESACTIVADO SISTEMA DE
FILTRADO 24
Batería con Carga
Completa
DESACTIVADO COMPLETO 2 Batería con Carga
Completa
Tabla 14 Autonomía del sistema únicamente con batería
Panel Solar CARGA Horas de
Trabajo Condiciones
ACTIVADO SISTEMA DE
CONTROL 60
Batería con Carga
Completa
ACTIVADO SISTEMA DE
REFRIGERACION 24
Batería con Carga
Completa
ACTIVADO SISTEMA DE
FILTRADO 48
Batería con Carga
Completa
ACTIVADO COMPLETO 3 Batería con Carga
Completa
Tabla 15 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador
Los valores obtenidos corresponden a un ambiente con condiciones óptimas y varían debido
a las variables externas del sistema como son: Radiación solar, nubosidad, incidencia de la
luz solar, ciclos de carga de la batería, nivel de carga de la batería, temperatura del aire,
temperatura interna del generador de agua, liquido dispensado.
9.4 Tratamiento del agua obtenida
Para el tratamiento del agua obtenida se pasa por medio de dos filtros uno de carbón activo
el cual utiliza la filtración por cartuchos, esta consiste en hacer circular. un fluido por el
interior de un elemento en el que se encuentran alojados materiales filtrantes. El líquido pasa
el material filtrante dejando en éste retenidos todos los contaminantes seleccionados.
La filtración por cartuchos es la técnica de filtración más utilizada y económica, para aquellas
aplicaciones cuyas exigencias en cuanto a calidad y seguridad sean elevadas. Los elementos
filtrantes son fabricados en diferentes materiales, polipropileno, polietersulfona, celulosa,
nylon, acero inoxidable, etc., dependiendo su uso en función de las características del fluido
a filtrar y de la calidad final del mismo deseado.El segundo de los filtros a utilizar es un filtro
luz ultravioleta, que hacen posible que tengamos una desinfección del agua producida, sin el
uso del cloro y el ozono. La luz UV brinda una desinfección efectiva, es muy portátil, ocupa
poco espacio, no genera subproductos de desinfección problemáticos.: Los microorganismos
son inactivados por la luz UV como resultado del daño fotoquímico a sus ácidos nucleicos.
Después de tener las muestras tomadas se desea realizar una prueba de agua, pero averiguado
se conoce que el precio de esta es muy elevado entonces. se plantea buscar alguna prueba
que sea un poco similar y nos permita conocer las parámetros que comúnmente se utilizan
para verificar la calidad del agua de donde se encuentra que existen algunas pruebas para
medir parámetros en el agua de las piscinas a un costo no tan elevado que permitiría medir
algunas de las variables de la muestra . se compra una de nombre sureTRACK-6
Figura 72 Prueba calidad del agua (autores)
Esta prueba consiste en una lámina la cual tienen unas almohadillas, impregnadas de
químicos que le permiten cambiar el color al entrar en contacto con la muestra después de
un corto lapso de tiempo , de acuerdo al color que tome se conoce aproximadamente la
cantidad de sustancia está en la muestra . Para conocer la concentración se usa una tabla que
viene en la caja se puede observar en la figura 73
Figura 73 Resultados de la prueba calidad del agua
Como se puede observar en la figura la prueba mide 5 parámetros el primero de ellos la
cantidad de cloro del agua se puede observar que al ser de color totalmente blanco el agua el
líquido esta libre de cloro. El segundo parámetro es el PH el cual es la acidez del agua en esta
caso dio baja por su color naranja claro siendo aproximadamente 6.4 . La alcalinidad del agua
dio verde claro lo que significa que esta aproximadamente en 80. La dureza del agua se
encuentra aproximadamente en 0 por que dio color azul y finalmente el ácido cianurico da 0
por su color amarillo claro.
No se podría asegurar que el agua es potable para el consumo humano con esta prueba por
que como se menciona anteriormente habría que hacer una prueba en laboratorio, pero se
puede mostrar que cumple algunos de los parametros que se evaluan ademas de ser agua sin
incolora e inolora .
9.5 Comparación con proyectos previos
Para conocer cómo está el dispositivo, con respecto a los desarrollados previamente en el
grupo de investigación. Se consiguieron los datos de consumo de corriente y de producción
de agua consultando los documentos que dejaron las investigaciones, Cabe decir que el
principio utilizando en los dos proyectos previos a sido con la utilización de celdas de peltier.
De donde se puede observar que el consumo en corriente no es muy alejado entre los tres
sistemas
Figura 74 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador
Para los datos utilizados para comparar la condensación de agua es necesario decir que los
tres dispositivos fueron probados en condiciones de humedad relativa y temperatura
promedio en la ciudad de Bogotá, se puede apreciar que con respecto a los proyectos previos
la condensación de agua con este sistema a su sido mucho mayor
Figura 75 Autonomía del sistema con la conexión del panel solar al controlador
02468
1012
P R O T O T I P O G E N E R A D O R D E A G U A
C O N C E L D A S D E P E L T I E R
S I S T E M A D E G E R A C I O N A P A R T I R
D E H U M E D A D D E L A I R E
G E N E R A C I O N D E C O N D E N S A D O C O N C E L D A S D E P E L T I E R
Co
rrie
nte
Dispositivo
CONSUMO DE CORRIENTE CON 12V
01020304050
P R O T O T I P O G E N E R A D O R D E A G U A
C O N C E L D A S D E P E L T I E R
S I S T E M A D E G E R A C I O N A P A R T I R
D E H U M E D A D D E L A I R E
G E N E R A C I O N D E C O N D E N S A D O C O N C E L D A S D E P E L T I E R
ml
Dispositivo
CONDENSACION DE AGUA EN UNA HORA
10 Conclusiones
Se pudo mostrar, como con el método de condensación por medio de un radiador. se obtiene
una cantidad mucho mayor a la generada por las celdas de peltier , debido a que la superficie
al ser mayor tiene mas lugar para recolectar el agua
Debido al comportamiento del sistema se optó por utilizar un método de control PI ,donde
a partir de una actuador en este caso una turbina se controla la variable temperatura. Siendo
lo mas optimo controlarla para obtener la mayor cantidad de líquido posible
La relación de humedad y temperatura es un factor importante en la
superficie del condensador por ende utilizar el sistema bajo condiciones poco
favorables podría ocurrir que la producción sea menor a lo normal
Aislar el condensador del sistema fue fundamental para poderlo controlar por que con esto la
temperatura se mantiene mejor por tanto el actuador puede afectar lo necesario el sistema
seria interesante realizar una prueba del sistema en condiciones de mayor temperatura y
humedad, como por ejemplo en la guajira para comprobar. cuanto aumenta en cantidad la
produccion de liquido, cuando se tienen mejores parametros para la condensacion
se consigue generar la cantidad que se tenia como objetivo la cual son 100 ml, en condiciones
promedio de bogota se demora aproximadamente dos horas y 15 minutos. lo cual es un
tiempo un poco largo, pero seria aceptable teniendo en cuenta que en bogota no se tienen las
condiciones mas optimas para condensacion de agua
se podria intentar aumentar la produccion del sistema .cambiando la unidad que se utiliza en
el prototipo final por una de 12 voltios , la unidad del prototipo final al ser a 120v nos limito
en este proyecto a utilizar un condensador mas grande debido a que la bateria se podria
descargar muy rapido al tener que usar un inversor, sabiendo que al ser mas grande el
condensador consume mas corriente la unidad
11 Bibliografía
[1] «https://sites.google.com/site/quimicaiiepoem/-que-es-el-aire-1,» [En línea].
[Último acceso: 2017].
[2] R. R. Rogers y J. C. d. Alemany, «Fisica de las nubes,» de Fisica de las
nubes, Barcelona, Barcelona : Reverte, 2003.
[3] Inzunza B. Juan, «Física: Introducción a la mecánica,,» de Física:
Introducción a la mecánica,, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, U.
de chile.
[4] J. P. Holman, Transferencia de Calor,, Madrid,: Mc Graw-Hill, 1998. 8a
edicion,.
[5] «https://solar-energia.net/definiciones/temperatura.html,» 2012. [En línea].
[6] R. Bentley, «Temperature and Humidity Measurement. Vol. 1,» de Handbook
of Temperature Measurements, 1998.
[7] Wikipedia., «http://es.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Magnus.,» 2017. [En línea].
Available: http://es.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Magnus.. [Último acceso:
2017].
[8] G. Pérez, «https://www.ciclohidrologico.com,» [En línea]. Available:
https://www.ciclohidrologico.com/condensacin.
[9] A. G. L. Wexler, «Vapour pressure formulation for water in the range 0,» de
Vapour pressure formulation for water in the range 0, 1976.
[10] c. acciona, «https://www.acciona.com/es/energias-renovables/energia-
solar,» [En línea]. Available: https://www.acciona.com/es/energias-
renovables/energia-solar/.
[11] IDEAM, «http://www.ideam.gov.co/web/tiempo-y-clima/radiacion-solar,» [En
línea]. Available: http://www.ideam.gov.co/web/tiempo-y-clima/radiacion-
solar. [Último acceso: 2017].
[12] «https://athanieto.wordpress.com/tematicas/segundo-principio-de-la-
termodinamica/ciclo-de-refrigeracion/,» [En línea]. Available:
https://athanieto.wordpress.com/tematicas/segundo-principio-de-la-
termodinamica/ciclo-de-refrigeracion/.
[13] «https://termodinamica-
esimeazc.blogspot.com.co/2016/05/refrigeracion.html,» [En línea]. Available:
https://termodinamica-esimeazc.blogspot.com.co/2016/05/refrigeracion.html.
[14] «https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-
refrigeracion1.pdf,» [En línea]. Available:
https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-
refrigeracion1.pdf.
[15] https://termoaplicadaunefm,
«https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-
refrigeracion1.pdf,» [En línea]. Available:
https://termoaplicadaunefm.files.wordpress.com/2009/02/tema-2-ciclos-de-
refrigeracion1.pdf.
[16] UNESCO, «https://es.unesco.org/themes/garantizar-suministro-
agua/hidrologia/escasez-calidad,» [En línea].
[17] V. Rosón, «https://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2016/01/la-humedad-
relativa-y-sus-implicaciones-sobre-la-salud-y-el-confort/,» mundohvacr.
[18] Wikipedia, «http://es.wikipedia.org/wiki/Diatermancia.,» Enciclopedia libre.,
2012. [En línea]. Available: http://es.wikipedia.org/wiki/Diatermancia.. [Último
acceso: 2017].
[19] acciona, «https://www.acciona.com,» [En línea]. Available:
https://www.acciona.com/es/energias-renovables/. [Último acceso: 2017].
[20] R. N. Geographic, «Cambio Climático (noviembre de 2015),» Revista
National Geographic, (noviembre de 2015).
[21] R. v. E. ESPECTADOR, «https://www.elespectador.com/noticias/medio-
ambiente/,» 28 OCT 2015. [En línea]. Available:
https://www.elespectador.com/noticias/medio-ambiente/colombia-estrena-
mapas-eolicos-y-de-radiacion-solar-articulo-595763. [Último acceso: 2017].
[22] IDEAM, «http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html,» [En línea].
Available: http://atlas.ideam.gov.co/visorAtlasRadiacion.html.
[23] «https://es.wikipedia.org/wiki/Tonelada_de_refrigeraci%C3%B3n,» [En línea].
Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Tonelada_de_refrigeraci%C3%B3n.
[24] J. P. A. Valera Negrete, Apuntes de Física General. p. 160., UNAM, ed.,
2005.
[25] L. E. Segura, “Estudio De Antecedentes Sobre La Contaminación Hidrica
En Colombia,” Esc. Super. Adm. pública ESAP, p. 142, 2007.
[26] IDEAM, Estudio Nacional del Agua. 2014.
[27] P. rodriguez Pajaron, “Obtención De Agua Potable Por Condensación,”
2016.
[28] servicios sociales e igualdad. Ministerio de sanidad, “Capitulo 4. Torres de
refrigeración y condensadores evaporativos,” Guia tecnica para la Prevención y
Control la Legion. en Instal., pp. 7–10, 2003.
[29] S. Mihalache, I. Flamaropol, F. S. Dumitru, L. Dobrescu, and D. Dobrescu,
“Automated cooling control system through Peltier effect and high efficiency control
using a DC-DC Buck converter,” Proc. Int. Semicond. Conf. CAS, vol. 2015–
Decem, pp. 281–284, 2015.
[30] T. Anbarasu and S. Pavithra, “Vapour Compression Refrigeration System
Generating Fresh Water from Humidity In the Air,” no. Seiscon, pp. 75–79, 2011.
[31] F. Grossi and R. Zanasi, “Dynamic Modeling and Simulation of a Drying
System with Recuperation of the Condensate,” no. 2, pp. 1879–1884, 2013.
[32] M. Sivakumar and M. Ramezanianpour, “Sustainable solar powered vaccum
membrane distillation for water treatment,” Proc. - Int. Conf. Technol. Sustain. Dev.
ICTSD 2015, 2015.
[33] S. Sultan, M. Ali, A. Waqas, H. A. Raza, S. Aziz, and S. U. Haq, “Modelling
of a solar energy driven water desalination system using TRNSYS,” Proc. 2016
19th Int. Multi-Topic Conf. INMIC 2016, 2017.
[34] L. Ferraris, P. Ferraris, and T. Alessandria, “Improvement of a static system
for water condensation supplied with Photo Voltaic energy Operating principles,”
vol. 3, pp. 1–9, 2007.
[35] W. C. White, “Some experiments with peltier effect,” Electr. Eng., vol. 70, no.
7, pp. 589–591, 1951.
[36] A. Barrera, “Controlador de Temperatura PID, Neuronal y Fuzzy para
condensar agua en una celda Peltier,” pp. 1–76, 2012.
[37] A. Sandoval, E. Espinosa, and J. Barahona, “Celdas Peltier: Una alternativa
para sistemas de enfriamiento con base en semiconductor.,” … la Mix. Tomado
http// …, pp. 1–9, 2007.
[38] U. D. C. Rica, “Control por hardware de sistemas de gobierno para diodos
láser con STM32F4 y celdas Peltier,” 2013.
12 Anexos
12.1 Diagrama de instrumentación
