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PROTOTIPO DE SEGUIDOR SOLAR
UTILIZANDO ALEACIONES CON
MEMORIA DE FORMA (AMF) COMO
TERMOACTUADOR
Maestrante en Arquitectura
Arq. Isai Nestor Chepi Rivera
1-25
Universidad Nacional Autónoma de México- Facultad de Estudios Superiores Aragón División de Estudios de Posgrado e Investigación
Posgrado en Arquitectura Campo de Tecnología
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Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
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Estructura • Objetivo
• Problemática de los recursos energéticos
• Antecedentes
• Proceso de estudio experimental
• Seguidor solar prototipo
• Propuesta de aplicación
2-25
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Objetivo
Desarrollar un seguidor de trayectoria solar Con un sistema mecánico basado en Aleaciones con Memoria de Forma (AMF) y Prescindir del uso de controladores electromecánicos
3-25
Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
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7%
93%
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Problemática de los recursos energéticos
39%- Petróleo
24%- Carbón
23%- Gas
7%-Nuclear
Fuentes primarias-93%
2% -Hidráulica
4%- Biomasa
0.5%- Geotérmica, eólica
*0.5%.-solar
Renovables-7%
Fuente: Gómez, P. (2006). Energías renovables: la necesidad de un cambio energético.
4-25
Consecuencias ambientales
Consumo mundial de energía
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Aceleración en los niveles de emisión de bióxido de carbono (CO2)
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5-25
En un minuto llega radiación suficiente para abastecer al planeta de energía durante un año [David Bañón, 2012] Se recibe al día entre 50 -150w/m2 en la superficie terrestre
Fuente: Global Solar Irradiance
Asequible Limpia Inagotable
Perjuicios Solo se produce energía mientras hay luz
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Sol: Energía del futuro
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Seguidor Solar
Antecedentes
6-25
Microprocesados • Utilizan sistemas de programación, GPS,
microprocesadores
• Calculan la trayectoria solar mediante algoritmos matemáticos
• Sistemas operativos basado en tiempo real
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Electro-ópticos • Emplean sensores para determinar la
posición del sol
• Son dirigidos por motores eléctricos
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Seguidor de un solo eje Polar: Siguen una trayectoria semi-circular en dirección este-oeste
Latitudes cercanas al ecuador Azimutal: Movimiento vertical Latitudes lejanas al ecuador
7-25
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Seguidor de dos ejes
Mayor grado de libertad Alcanza cualquier orientación Se mantiene siempre perpendicular a los rayos solares
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Aleaciones con memoria de forma (AMF) “Shape Memory Alloy” SMA Son aleaciones metálicas:
8-25
Base Cobre Cu-Zn-Al; Cu-Al-Ni; Cu-Al-Be, etc. Hierro Fe-C; Fe-Ni; Fe-Cr-Ni Cerámicos
Ni-Ti
• Potencia comercial
• Soporta deformaciones del 8% antes de sufrir alteración plástica
• Cobre un 4.5% • Mayor rango de temperaturas de
transformación
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Algunas Aplicaciones
9-25
Grapas para unir huesos rotos Stents, Bypass cardiovasculares
Antenas aeroespacial
Biomédica
Ortodoncia
Alambres correctores
Ingeniería
Monturas para gafas Prótesis Conexiones para tuberías, válvulas Antenas espaciales desplegables Amortiguadores para sismos
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Propiedades
Inducida por:
10-25
Habilidad recuperar de su forma inicial después de sufrir una deformación plástica aparentemente permanente, mediante incremento de temperatura
Esfuerzo
Campos magnéticos
Fuerza-Temperatura Cambios de temperatura
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Etapa 1
Efecto memoria de forma
11-25
Martensíta Austeníta
Etapa 2
Etapa 3 Etapa 4
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12-25
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Efecto memoria de forma
Transformación martensítica
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13-25
Austeníta
Transformación displasiva
Martensíta
Movimiento ordenado de átomos a corta distancia sin que haya cambios químico
Estructura cubica centrada
en el cuerpo
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Efecto Superelástico: Estando a una T>Af es capaz de sufrir deformación que se recupera después de quitar la carga
Diagrama esfuerzo deformación Ni-Ti
Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
Soporta deformaciones 100 veces mayor que los materiales convencionales
Diagrama esfuerzo deformación material convencional
Acero
Aluminio 0.0075mm
Cobre 0.02mm
0.0125mm
Ni-Ti
Comparativa
Tamaño de la muestra: Ø0.001 mm
0.096 mm
14-25
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Método de reflexión utilizando resorte de Ni-Ti y cristal traslucido
Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
Después Antes Proceso de estudio experimental
15-25 Arq. Isai Nestor Chepi Rivera correo :[email protected]
L/2
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16-25
Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
Segunda etapa del método de reflexión utilizando resorte de Ni-Ti y cristal traslucido
Después Antes
L/3
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Termoactuador
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17-25
3
1.-Alambre Ni-Ti
3.-Embolo
2.-Sujetador 4.-Tubo de vidrio
2
1
4
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Partes y componentes
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Prueba termo mecánica al termoactuador
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18-25
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Medición de la temperatura del termoactuador con termómetro de rayo laser
19-25
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20-25
Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
Medición de temperatura del termoactuador con Data Easy Logger USB
Data Easy Logger
Termopar tipo T
Proceso experimental
Termoactuador
Resultados
Temp. Inicio: 22 °C Temp. Final: 25°C Temp. Max: 45°C
Prueba 1
Prueba 2
Temp. Inicio: 28.5 °C Temp. Final: 23.5°C Temp. Max:48.5°C
Termoactuador negro Temp. Max: 46.5°C
Termoactuador gris Temp. Max: 43.5°C
Cambio de color en tubo de vidrio
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21-25
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Pruebas de Calorimetría Diferencial de Barrido a muestras de Ni-Ti
Preparación de muestras
Equipo de DSC
Grafica de resultados de la prueba de calorimetría
As-75.04 Af-95.17
Ms-62.30 Mf-48.16
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Celda solar
Soporte Vertical
Rotula mecánica
22-25
Seguidor solar prototipo
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Termoactuador
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23-25
Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
Partes y componentes del seguidor solar
Soporte de monitor PC
Rotula mecánica
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Una vez probado la eficiencia del seguidor solar, se contempla instalarlos en azoteas, plazas publicas, andadores, calles y avenidas, de manera integral con el mobiliario urbano
Propuesta de Aplicación
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24-25
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Gracias
Prototipo de seguimiento y concentración solar utilizando aleaciones con memoria de forma como actuadores y sensores de movimiento
25-25