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Volumen 3, Número 8 – Julio –Septiembre 2016

ECORFAN®

Revista de Sistemas

Experimentales

ISSN 2410-3950

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ECORFAN-Bolivia

Revista de Sistemas Experimentales,

Volumen 3, Número 8, de Julio a

Septiembre-2016, es una revista editada

trimestralmente por ECORFAN-Bolivia.

Loa 1179, Cd. Sucre. Chuquisaca,

Bolivia. WEB:

www.ecorfan.org,[email protected].

Editora en Jefe: RAMOS-ESCAMILLA,

María. PhD, Co-Editor: IGLESIAS-

SUAREZ, Fernando. ISSN-2410-

4000.Responsables de la última

actualización de este número de la

Unidad de Informática ECORFAN.

ESCAMILLA-BOUCHÁN, Imelda.

PhD, LUNA-SOTO, Vladimir. PhD,

actualizado al 30 de Septiembre del

2016.

Las opiniones expresadas por los autores

no reflejan necesariamente las opiniones

del editor de la publicación.

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En Pro de la Investigación, Enseñando, y Entrenando los recursos humanos comprometidos con la

Ciencia. El contenido de los artículos y opiniones que aparecen en cada número son de los autores y no

necesariamente la opinión del Editor en Jefe.

En el primer número es presentado el Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo

ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la producción de metano por VIGUERAS-

CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra y ZAFRA-JIMÉNEZ,

Gabriela, con adscripción en el Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec y la Universidad

Veracruzana, como siguiente artículo está Comparación de métodos experimentales para obtener los

parámetros eléctricos de un motor de inducción por REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-

PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard, en el siguiente artículo está Navegación multi-objetivos

para robots móviles en entornos con obstáculos por VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J, PORTILLO-

VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y PORRAGAS-BELTRÁN, L con adscripción en la Universidad

Veracruzana, como siguiente artículo está Proceso sustentable de obtención de biodiesel por

BAUTISTA-VARGAS, María, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ, René y

TORRES-MORENO, Ruth con adscripción en la Universidad Autónoma de Tamaulipas, como

siguiente artículo está Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de

San Bartolo Cuautlalpan por ESPINAL-ARELLANO, Juan, OLVERA-GARCÍA, Omar,

HERNÁNDEZ-GÓMEZ, Víctor y MORILLÓN-GÁLVEZ, David con adscripción en la Universidad

Nacional Autónoma de México, como siguiente artículo está Caracterización de un susceptor de cobre

sensible a radiación solar IR y UV por ZÁRATE-CORONA, José, TELOXA-REYES, Julio y

AGUILAR-GALVÁN, Daniel, como siguiente artículo está Semi-automatización de Biodigestor Cerdo

vs Vaca por MORALES-IBARRA, Vanessa, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-HERRERA,

María Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín, como siguiente artículo está Efectos de la

temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico por MESSINA-LOPEZ, Víctor, DIBENE-

ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César, como siguiente artículo está Simulación de la

fermentación de jugo de betabel usando diferentes concentraciones de biomasa por VILLEDA-

CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué y JIMENEZ-ISLAS,

Donaji, como siguiente artículo está Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un

banco de celdas de combustible PEM por MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador, GARCÍA-GALLEGOS,

Jesús, DUARTE-MOLLER, José y OLIVARES-RAMÍREZ, Juan, como siguiente artículo está

Propuesta de Diseño Aerodinámico para Reducción de Turbulencia en la Estela de Rotación en

Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT por MOLINERO, Daniel, LÓPEZ, Víctor y

CERVANTES, Alberto, como siguiente artículo está Aplicación de la energía solar mediante sistema

termosolar y sistema solar fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en

función de utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0 horas solar pico por BARRAGÁN-

BUENO, Miguel.

Contenido

Artículo Página

Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con

lecho de lodos (RAFAELL) para la producción de metano

VIGUERAS-CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra

y ZAFRA-JIMÉNEZ, Gabriela

1-7

Comparación de métodos experimentales para obtener los parámetros eléctricos de

un motor de inducción

REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard

8-17

Navegación multi-objetivos para robots móviles en entornos con obstáculos

VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J, PORTILLO-VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y

PORRAGAS-BELTRÁN, L

18-26

Proceso sustentable de obtención de biodiesel

BAUTISTA-VARGAS, María, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ,

René y TORRES-MORENO, Ruth

27-35

Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San

Bartolo Cuautlalpan

ESPINAL-ARELLANO, Juan, OLVERA-GARCÍA, Omar, HERNÁNDEZ-GÓMEZ,

Víctor y MORILLÓN-GÁLVEZ, David

36-52

Caracterización de un susceptor de cobre sensible a radiación solar IR y UV

ZÁRATE-CORONA, José, TELOXA-REYES, Julio y AGUILAR-GALVÁN, Daniel

53-57

Semi-automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca

MORALES-IBARRA, Vanessa, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-

HERRERA, María Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín

58-64

Efectos de la temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico

MESSINA-LOPEZ, Víctor, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César

65-77

Simulación de la fermentación de jugo de betabel usando diferentes

concentraciones de biomasa

VILLEDA-CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué

y JIMENEZ-ISLAS, Donaji

78-83

Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un banco de celdas de

combustible PEM

MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador, GARCÍA-GALLEGOS, Jesús, DUARTE-MOLLER,

José y OLIVARES-RAMÍREZ, Juan

84-90

Propuesta de Diseño Aerodinámico para Reducción de Turbulencia en la Estela de

Rotación en Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT

MOLINERO, Daniel, LÓPEZ, Víctor y CERVANTES, Alberto

91-102

Aplicación de la energía solar mediante sistema termosolar y sistema solar

fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en función de

utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0 horas solar pico

BARRAGÁN-BUENO, Miguel

103-110

Insturcciones para Autores

Formato de Originalidad

Formato de Autorización

1

Artículo Revista de Sistemas Experimentales

Septiembre 2016 Vol.3 No.8 1-7

Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con

lecho de lodos (RAFAELL) para la producción de metano

VIGUERAS-CARMONA, Sergio*†, VIAN-PÉREZ, José’, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra’ y ZAFRA-

JIMÉNEZ, Gabriela.

Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec, División de Ingeniería Química y Bioquímica

‘Universidad Veracruzana, Facultad de Ciencias Químicas,

Recibido Julio 22, 2016; Aceptado Septiembre 15, 2016

Resumen

El objetivo de este trabajo fue diseñar un reactor

anaerobio para el tratamiento de residuos sólidos urbanos

orgánicos vegetales (RSUOV), sus características están

vinculadas con los procesos bioquímicos de la digestión

anaerobia. El diseño del Reactor Anaerobio de Flujo

Ascendente Empacado con Lecho de Lodos (RAFAELL)

está basado en el mejoramiento de la eficiencia de

producción de metano y remoción de sólidos. El diseño

considera una etapa de pretratamiento en la que los

RSUOV son sometidos a esfuerzos cortantes para

incrementar el número de partículas menores a 150 µm y

la concentración de sólidos disueltos (partículas menores

a 2.5 µm). Además, se ha incluido un lecho de lodos para

incrementar el tiempo de residencia celular en el reactor.

La sección de empaque permite mantener separadas las

fases hidrolítica y metanogénica lo que mejora el control

del proceso. Los flujos hidráulicos permiten transportar

la fracción más rápidamente biodegradable al lecho de

lodo, lo que favorece su transformación a metano. Estas

características, incluidas en un solo reactor, permiten

mejorar la eficiencia del proceso anaerobio. Al evaluar el

comportamiento del RAFAELL se obtuvieron buenas

eficiencias de remoción de sólidos (67%) en 12 días con

productividades de metano de 1.45 LCH4.L-1

.d-1

, valores

proporcionales a las cargas orgánicas aplicadas al sistema

(0.66 – 2.5 gSV.L-1

.d-1

).

Diseño, reactor, metano

Abstract

The aim of this work was to design an anaerobic reactor

for treating the organic fraction of municipal solid waste

(OFMSW); their characteristics are linked to the

biochemical processes of anaerobic digestion. Design Up

flow anaerobic sludge blanket solid-state reactor

(RAFAELL, for acronyms in Spanish, Reactor

Anaerobio de Flujo Ascendente Empacado con Lecho de

Lodos) is based on improving the efficiency of methane

production and removal of solids. The design considers a

pre-treatment stage in which OFMSW are subjected to

shear to increase the number of particles smaller than 150

μm and the concentration of dissolved solids (particles

smaller than 2.5 μm). Furthermore, it has included a

sludge bed to increase the time of cell residence in the

reactor. Solid-state section allows separating hydrolytic

and methanogenic phases which improves process

control. Hydraulic flows transports the faster

biodegradable fraction to sludge bed, which favors its

conversion to methane. These features included in a

single reactor, allow improving the efficiency of the

anaerobic process. In assessing the behavior of

RAFAELL were obtained good solid removal

efficiencies (67%) in 12 days, with methane productivity

of 1.45 LCH4.L-1

.d-1

which is proportional to the organic

loads applied to the system (0.66 – 2.5 gSV.L-1

.d-1

).

Design, reactor, methane

Citación: VIGUERAS-CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José’, VELÁSCO-PÉREZ, Alejandra’ y ZAFRA-JIMÉNEZ,

Gabriela. Diseño y operación de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la

producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016, 3-8: 1-7

* Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])

†Investigador contribuyendo como primerAutor.

© ECORFAN-Bolivia www.ecorfan.org/bolivia

2



ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos los derechos reservados

VIGUERAS-CARMONA, Sergio, VIAN-PÉREZ, José’, VELÁSCO-PÉREZ,

Alejandra’ y ZAFRA-JIMÉNEZ, Gabriela. Diseño y operación de un reactor

anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos (RAFAELL) para la

producción de metano. Revista de Sistemas Experimentales. 2016

Introducción

Tradicionalmente, los residuos sólidos urbanos

se disponen en rellenos sanitarios, que al

carecer de un adecuado control, son

responsables de la mayor descarga de gases de

efecto invernadero a la atmósfera, por lo que

tecnologías de menor impacto medioambiental

adquieren relevancia (Themelis, 2008) entre las

que destaca la digestión anerobia debido a que

produce energía. Los procesos anaerobios han

sido empleados para el tratamiento de aguas

residuales debido a sus características de

recuperación de energía, baja producción de

lodos residuales y de su capacidad para tratar

elevadas cargas orgánicas. Por lo anterior, la

tecnología de digestión anaerobia se ha

extendido a la estabilización de residuos

sólidos, como los provenientes de actividades

agrícolas, residuos de comida y lodos de

desecho (Ward et al., 2008).

En el proceso de estabilización de los

residuos sólidos, diversas tecnologías

anaerobias como los procesos Dranco, Valorgas

y Kompogás se han consolidado a escala

industrial (Fagbohungbe et al., 2015). Además

una variedad de diseños de reactores se han

propuesto recientemente los cuales han

incrementado significativamente las

velocidades de reacción del proceso de

digestión de los residuos (Mao et al., 2015). De

acuerdo con Ward y colaboradores (2008), un

bioreactor anaerobio debe ser diseñado con la

finalidad de maximizar la producción de

metano, aplicando continuamente elevada carga

orgánica y operando a cortos tiempos de

retención hidráulica.

Actualmente, los bioreactores utilizados

para la metanización de distintos tipos de

residuos se pueden clasificar como reactores

por lotes y sistemas continuos de una etapa y

multi-etapa.

Entre las configuraciones de bioreactores

anaerobios mayormente utilizados se

encuentran el bioreactor de tanque agitado con

alimentación continua, bioreactores tubulares,

reactores bach en secuencia, reactores

anaerobios de flujo ascendente RAFA y filtros

anaerobios. Los reactores de dos o más etapas

con alimentación continua, en los cuales las

etapas bioquímicas de la digestión anaerobia,

hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y

metanogénesis se llevan a cabo de forma

separada han mostrado mejor desempeño en

términos de eficiencia de remoción y

producción de biogás.

Sin embargo, el diseño de los reactores

mencionados en anteriores parrafos se limita a

aspectos hidráulicos y energéticos, por lo que

algunos autores como Fernández-Polanco

(2002) afirman que existe carencia de

información para el diseño de este tipo de

tecnología. Los RSUOV son complejos en

estructura física y composición química, y se ha

demostrado que la proporción de las fracciones

con distinta biodegradabilidad determina la

velocidad de hidrólisis en el proceso anaerobio

(Vavilin, 2008; Cho, 1995). Entonces,

considerando que la hidrólisis de los residuos es

la etapa limitante del proceso (Lu, 2007), las

características de los residuos a digerir afectan

la velocidad de producción de metano como

resultado de inhibición por acumulación de

ácidos grasos volátiles AGV o por limitación de

sustrato soluble (Polanco, 2015; Zhang, 2013;

Visvanathan, 2012). Por lo anterior, es

necesario realizar una caracterización apropiada

de los residuos, con especial atención a las

posibles limitaciones debido al tamaño de los

sólidos y control de la etapa de hidrólisis.

3



ISSN-2410-3950






Materiales y métodos

Caracterización de los residuos

Se llevó a cabo la caracterización fisicoquímica

de los residuos empleados para este estudio.

Debido a la larga duración del estudio, fue

necesario tomar muestras de RSUOV en

diferentes momentos por lo que la proporción y

tipos de residuos no fue la misma durante toda

la etapa experimental. El pH y conductividad

fueron determinados de acuerdo a Fernandez et

al. (2006); densidad de empaque, porcentaje de

humedad, sólidos totales y sólidos volátiles se

determinaron mediante el método gravimétrico.

Para la determinación de la demanda química

de oxígeno, proteínas y carbohidratos, los

residuos fueron secados en una estufa a 105 °C,

posteriormente se homogenizo el tamaño de

partícula triturando la muestra y tamizándola,

finalmente se resuspendio la muestra en agua

para tener una concentración de 1 g/L y se

procedió conforme a Eaton et al, (1998), Lowry

et al, (1951) y Goel et al, (1998),

respectivamente.

Inóculo

Un Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente

(RAFA) fue inoculado con una mezcla de lodo

activado estabilizado anaeróbicamente y

estiércol de vaca en proporción volumétrica 1:1.

El reactor fue alimentado con lixiviado de

RSOUV. La carga orgáncia alimentada fue

incrementando gradualmente conforme la

eficiencia del reactor incrementó. Después de

100 días de operación, el inóculo alcanzó una

actividad metanogénica de 0.21 kg DQOCH4.kg-

1SSV.d

-1.La composición del biogás fue

determinada mediante cromatografía de gases,

usando un cromatógrafo (GOW-MAC con

integrador SP-4290) equipado con un detector

de conductividad térmica (TCD) y una columna

empacada con Carbosphere.

Dinámica de solubilización de los residuos

sólidos urbanos orgánicos vegetales

Los RSOUV previamente cortados con un

tamaño de partícula de 1 cm se empacaron

dentro de un reactor de 8 L. Una vez

empacados los residuos se llevó a cabo

recirculación de agua residual municipal a

través del lecho, fijando una velocidad

ascensional de 1 m.h-1

. Diariamente se tomó

una muestra de 100 mL misma que se

reemplazó en el reactor con agua residual

municipal cruda. A la muestra tomada se le

determinó la concentración de sólidos totales

ST y sólidos volátiles SV. Una vez que el

efluente se saturó de sólidos fue reemplazado

por agua residual cruda, al periodo de tiempo

entre cada recambio de agua cruda se le

denominó ciclo de recirculación.

Distribución del tamaño de partícula

La columna empacada sometida a recirculación

de agua a distintas velocidades ascensionales

fue operada con un tiempo de retención

hidráulico de 10 días. Al efluente purgado se le

determinó la distribución del tamaño de

partícula. Lo anterior se realizó pasando

muestras de 50 mL a través de tamices de

tamaño de poro de 105, 74, 62, 54 y 37 µm, y

filtrando otras a través de papeles de tamaño de

poro de 25, 16, 11, 8, 6, 3 y 2.5 μm.

Al final de lo anterior se tenían 13

muestras de líquido con sólidos de tamaño

>105, >74, >62, >54, >37, >25, >16, >11, >8,

>6, >3 y >2.5 μm respectivamente, a las que se

les determinó la concentración de sólidos

totales. Posteriormente, se comparó la cantidad

de sólidos en cada muestra con el contenido de

sólidos en una muestra del efluente sin tamizar

(sólidos totales en la muestra) para obtener el

porcentaje de sólidos para cada tamaño de

partícula.

4



ISSN-2410-3950






Biodegradabilidad anaerobia de los residuos

sólidos

Conforme al protocolo de Field (1986), se

determinó la biodegradabilidad anaerobia, tanto

de sólidos solubles (< 2.5 μm) como de sólidos

suspendidos (> 2.5 μm) para una mezcla de

RSUOV sometida a recirculación de agua.

Los ensayos se llevaron a cabo en

botellas serológicas de 120 mL con un volumen

de reacción de 80 mL. La concentración del

inóculo fue de 2.5 g SSV.L-1

, mismo que tenía

una actividad metanogénica específica de

0.21±0.03 g DQOCH4.g-1

SSV.d-1

. El sustrato

para este ensayo fueron los sólidos contenidos

en el efluente de la columna empacada y

sometida a recirculación de agua, la

concentración del efluente fue diluida para

obtener una relación sustrato-inóculo en el

ensayo de 1.2 g DQOacetato/gSSVinóculo. La

cuantificación de metano se realizó mediante

cromatografía de gases.

Al RSOUV retirado al finalizar los

ciclos de recirculación se le quitó el exceso de

agua y se trituró en un extractor de frutas, el

líquido fue recuperado y pasado por un tamiz

con tamaño de partícula de 105 µm. El bagazo

fue exprimido usando un cedazo hasta extraer el

máximo de líquido, que fue también tamizado.

La mezcla de las dos fracciones liquidas fueron

utilizadas para determinar la biodegradabilidad

del empaque.

Diseño del reactor anaerobio

Los criterios de diseño del reactor anaerobio

fueron: la velocidad ascensional, el tiempo de

retención hidráulico y el porcentaje de

biodegradabilidad de los sólidos.

En esta etapa se estableció la velocidad

ascensional adecuada para promover la

reducción del tamaño de partícula y mantener el

lecho de lodos en la sección de metanogénesis.

Por otro lado, se estableció el tiempo de

retención hidráulica óptimo para lograr la

mayor eficiencia de remoción de carga

orgánica. A partir de los resultados obtenidos se

diseñó el reactor.

Para establecer la velocidad

ascensional, una columna de 8 L fue empacada

con mezcla de RSUOV con tamaño de partícula

de 1 cm y se sometió a recirculación de agua,

fijando velocidades ascensionales de 0.5, 1, 1.4

y 2 m.h-1

. El agua utilizada fue agua residual

municipal. Diariamente se tomó muestra de 100

mL a la que se determinó la concentración de

sólidos totales y sólidos volátiles.

Para establecer el tiempo de retención

hidráulico se tomó como base la información

generada en las pruebas de biodegradabilidad

de los residuos. El TRH correspondió al tiempo

necesario para alcanzar una velocidad constante

de producción de metano.

Resultados

Caracterización de los residuos

Las características de la mezcla de empaque se

exponen en la Tabla 1, los valores obtenidos

están dentro del intervalo reportado en estudios

previos para mezclas similares de RSUOV.

El valor determinado para la

concentración de DQO es 100 veces más

grande en comparación al reportado por Liu et

al (2008), debido a que este último sólo emplea

la fracción líquida después de la hidrolisis ácida

de los residuos, quedando la mayor cantidad de

DQO en el residuo no hidrolizado.

5



ISSN-2410-3950






Dinámica de solubilización de los residuos

Los pretratamientos utilizados en el proceso de

digestión anaerobia de residuos sólidos

orgánicos, tienen como principal objetivo

acelerar la solubilización e hidrólisis del

residuo, en este estudio el pretratamiento fueron

los esfuerzos cortantes del agua sobre los

residuos. Para evaluar el efecto de los esfuerzos

cortantes, debido al flujo, sobre la dinámica de

solubilización de los RSOUV se determinó la

distribución del tamaño de partícula. En la

Gráfica 1, se observa que al aumentar la

velocidad ascensional, el porcentaje de

partículas menores a 20 µm aumenta, lo que

implica que los esfuerzos cortantes a los que

son sometidos los residuos aceleran la

modificación de la estructura del residuo

vegetal provocando la liberación del agua y la

reducción del tamaño de partícula.

A una velocidad ascensional de 1.64

m.h-1

se observa que el 93% de las partículas

tienen tamaños menores a 20 µm. Por otro lado,

los reactores anaerobios de flujo ascendente

diseñados con base en la carga hidráulica,

establecen una velocidad ascensional menor o

igual a 1 m.h-1

para reactores que utilizan lodos

anaerobios floculantes. Utilizando estos dos

criterios se realizó la dinámica de solubilización

de una columna empacada con residuos urbanos

orgánicos vegetales, estableciendo la velocidad

ascensional en 1 m.h-1

y el tiempo de retención

hidráulico en 10 d.

En la Gráfica 2 se observa la dinámica

de solubilización de los sólidos en el agua

residual (concentración inicial de sólidos de

0.05 g SV.L-1

). A los primeros 6 días llega a su

máxima concentración (6.75 g SV.L-1

). El

segundo ciclo, el efluente llega a su máximo el

día 17 (3.12 g SV.L-1

). El tercer ciclo inicia el

día 19, llegando a su máximo el día 23 (3.45 g

SV.L-1

).

El último ciclo inicia en el día 24 y

llega a una máxima concentración el día 32

(2.13 g SV.L-1

). Se observa también que el agua

residual se satura rápidamente con sólidos en

cada uno de los ciclos.

Durante este experimento también se

observó un cambio en la densidad de empaque

del RSOUV, pasando de 0.9 kg.L-1

a 0.5 kg.L-1

.

El volumen de los residuos al final fue el 40 %

del volumen inicial y el tamaño de partícula

promedio del empaque fue menor a 5 mm, esta

disminución se logró en un periodo de 35 días,

lo que representa alrededor de 3.5 menos

tiempo que el utilizado en el composteo

tradicional para reducir en esa magnitud el

volumen de los residuos tratados.

Biodegradabilidad anaerobia de los residuos

sólidos

Al efluente obtenido en cada una de los ciclos

de recirculación le fue medida su

biodegradabilidad anaerobia (Tabla 2). El

efluente fue disminuyendo su biodegradabilidad

conforme avanzan los ciclos de recirculación.

La baja biodegradabilidad del RSUOV (por

debajo de 50%) después de la recirculación

debe estar asociada a su composición

(polisacáridos como celulosas), en

concordancia con diversos autores (Moshier,

2005; Hilkiah, 2008) que trabajaron con

materiales ricos en celulosa 38.81 %,

hemicelulosa 29.5 % y lignina 7.1 % que son

materiales de baja biodegradabilidad (por

debajo de 50 %).

Asignación del valor de los parámetros de

diseño

En la Gráfica 3 se muestran el valor de los

sólidos totales en el efluente del reactor a las

diferentes velocidades ascensionales.

6



ISSN-2410-3950






Se observa que de 0.5 a 1.44 m.h-1

la

concentración de sólidos en el efluente está por

debajo de 0.15 g SST.L-1

y que para la

velocidad de 2 m.h-1

se incrementa la

concentración de sólidos hasta 0.33 g SST.L-1

,

con una desviación estándar mayor, lo que

implica que la salida de sólidos puede llegar

hasta 0.45 g SST.L-1

. Así que se estableció

como velocidad ascensional de operación de 1.4

m.h-1

, ya que a ésta se pueden tener mejor

calidad del efluente que abandona el reactor.

Para establecer el tiempo de retención

hidráulica se utilizó la información generada en

la pruebas de biodegradabilidad, en ellas se

estableció que el tiempo promedio en el que se

alcanza una velocidad de producción de metano

constante fue de 7 ± 3 días. Por lo que se

estableció un tiempo de retención hidráulica de

10 días.

Construcción y puesta en marcha del reactor

anaerobio de flujo ascendente empacado con

lecho de lodos

El reactor fue construido de acrílico

con tres compartimientos (Figura 1), cada uno

con un volumen total de 8 L y un área de 400

cm2. La relación área/longitud máxima que se

obtuvo para lograr una buena distribución de la

alimentación a escala laboratorio fue de 20. La

parte superior del reactor tiene una mampara de

separación sólido-líquido-gas [(i), Figura 1]. El

flujo hidráulico del reactor es controlado por

dos bombas peristálticas, una controla la

velocidad ascensional (l1) y la otra el tiempo de

retención hidráulico (l2). El cárcamo de

alimentación [(m), Figura 1] está en un baño de

temperatura controlada para mantener la

alimentación del efluente a 35 °C.

Para iniciar la operación del reactor se

utilizaron 6 L del inóculo previamente adaptado

(actividad metanogénica de 0.43 ±0.06 g

DQOCH4.g-1

SSV.d-1

) colocado en la primera

sección del reactor [(b), Figura 1].

La sección superior del reactor (c) fue

empacada con RSOUOV con un tamaño de

partícula promedio de 1 cm. El RAFAELL se

llenó con agua residual que es recirculada para

que pase a través del lecho de lodo anaerobio,

ascienda por una zona de mezclado (e) y llegue

a la sección de empaque en dónde los esfuerzos

cortantes provocan la reducción del tamaño de

partícula de los RSOUV, transportando las

partículas más pequeñas al lecho de lodo.

El biogás es retirado continuamente

utilizando un separador sólido-líquido-gas y

cuantificado por un contador magnético de

pulsos [(n), Figura 1]. La eficiencia del sistema

se evaluó determinando la productividad de

metano LCH4.LR-1

.d-1

.

La Gráfica 4 muestra la productividad

del RAFAELL con respecto a la carga orgánica.

En el intervalo ensayado (0.66 a 2.5 g SV.L-1

.d-

1) la productividad metanogénica aumentó

proporcionalmente conforme aumentó la carga

orgánica, llegando a un valor máximo 1.45

LCH4.L-1

.d-1

, los valores reportados para

sistemas similares al RAFAELL son de hasta 4

LCH4.L-1

.d-1

(Montalvo, 2003) para cargas de

hasta 5 g SV.L-1

.d-1

.

El principal problema que presentó el

RAFAELL durante su operación fue la

acumulación de ácidos grasos volátiles (Gráfica

5) lo que provocó una disminución en el pH,

Gráfica 6. El control del pH en el RAFAELL se

realizó adicionando al cárcamo de bombeo el

volumen necesario de una solución 5 N de

hidróxido de sodio, sin embargo, después de 12

horas el pH volvió a descender, este

comportamiento fue periódico en todas las

cargas orgánicas ensayadas. Para aumentar el

poder de amortiguamiento del RAFAELL se

agregó bicarbonato de sodio hasta tener una

relación 1 g HCO3-.g

-1 DQO, dándole mayor

estabilidad al RAFAELL.

7



ISSN-2410-3950






En la Tabla 2 se muestra de forma

resumida las condiciones de opración y

parámetros de diseño del RAFAELL ensayadas

en este estudio.

Conclusiones

El reactor anaerobio de flujo ascendente

empacado con lecho de lodos (RAFAELL), fue

diseñado considerando los aspectos

bioquímicos de la digestión anaerobia de

residuos sólidos orgánicos. El diseño permite

mejorar la eficiencia del proceso anaerobio,

0.58 m3 biogas.kg

-1 SV, además de facilitar el

control y operación del digestor.

En general el RAFAELL presenta

buena eficiencia de remoción de sólidos

volátiles a las cargas ensayadas (67 %) y

aunque la productividad aún está por debajo de

los valores reportados para sistemas similares,

las cargas orgánicas en el RAFAELL son 10

veces más pequeñas comparado con los

sistemas comerciales (12 g SV.L-1

.d-1

). Por lo

que todavía se debe trabajar en el

establecimiento de la máxima cantidad de

RSUOV que puede soportar el RAFAELL y

determinar su factibilidad operando como un

reactor de lote alimentado.

El principal problema encontrado al

operar el RAFAELL fue el descenso en el pH

(hasta pH 5) durante los primeros días de

digestión de cada lote de alimentación, lo cual

está asociado principalmente a la rápida

producción de AGV en el sistema (llegando

hasta 50 meq AGV.L-1

).

Se deben establecer la máxima cantidad de

RSUOV que puede soportar el RAFAELL,

operado a 35 °C, en el arranque y determinar su

factibilidad operando como un reactor de lote

alimentado (semicontinuo).

Referencias

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Bioresource Technology. 52; 245-253.

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343.

8



Comparación de métodos experimentales para obtener los parámetros eléctricos de

un motor de inducción

REVUELTA-GARCÍA, José*†, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard.


Resumen

La determinación y medición de los parámetros de un

motor de inducción es una actividad importante en el

diseño y modelado de estas máquinas eléctricas.

Conociendo los parámetros del circuito equivalente de

cualquier motor se pueden realizar simulaciones para

predecir su comportamiento bajo diferentes regímenes

como pueden ser régimen transitorio, régimen en estado

estable o régimen bajo condiciones de una falla

incipiente. Por lo que en este trabajo, se presenta una

metodología alterna para la determinación de los

parámetros eléctricos de un motor de inducción y se

compara con el procedimiento porpuesto por la IEEE

Std 112-2004, obteniendo buena concordancia con

respecto a las evaluaciones realizadas de acuerdo a la norma IEEE 112-2004 y la metodología propuesta.

Motor de inducción, parámetros eléctricos, pérdidas

eléctricas, circuito equivalente

Abstract

The identification and measurement of the parameters of

an induction motor is an important activity on the design

and modeling of these electric machines. Knowing the

equivalent circuit parameters of any electrical motor can

be performed simulations to predict their behavior under

different regimes such as steady state regime or under

conditions of incipient failure. So in this paper, an

alternative low cost methodology for determining the

electrical parameters of an induction motor is presented

and compared with the procedure methodology in the

IEEE Std 112-2004, obtaining good agreement with

respect to assessments under IEEE 112-2004 standard

and the proposed methodology.

Induction motors, electrical parameters, electrical

losses, equivalent circuit

Citación: REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS, Ricard. Comparación de

métodos experimentales para obtener los parámetros eléctricos de un motor de inducción. Revista de Sistemas

Experimentales 2016, 3-8: 8-17

* Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])

†Investigador contribuyendo como primer autor.


9 Artículo Revista de Sistemas Experimentales


REVUELTA-GARCÍA, José, GONZÁLEZ-PARADA, Adrián y BOSH-TOUS,

Ricard. Comparación de métodos experimentales para obtener los parámetros

eléctricos de un motor de inducción. Revista de Sistemas Experimentales 2016

ISSN-2410-3950


Introducción

La determinación de los parámetros eléctricos en

los motores de inducción es un tema importante

en el diseño y construcción de los motores

eléctricos con la determinación de sus

parámetros eléctricos, es posible determinar las

pérdidas teóricas, verificar su comportamiento en

el arranque y todos los parámetros de diseño, lo

cual puede ser comprobado posteriormente

durante las pruebas de laboratorio.

El presente trabajo tiene la finalidad de

evaluar y comparar diferentes metodologías de

prueba para la obtención de los parámetros

eléctricos de un motor de inducción. En la

obtención de cada uno de los parámetros se

aplicaron dos métodos y se realiza una

comparación de ambos resultados. Uno de los

métodos para obtener estos parámetros es el

propuesto por la norma IEEE 112-1996:

Standard Test Procedure for Polyphase Induction

Motors and Generators y el otro método se

realiza a partir de mediones directas de cada uno

de los componentes del motor considerando

equipo convencional.[2]

.

Desarrollo

En primer término se realizo la determinación de

parámetros de acuerdo a la metodología

propuesta en la norma IEEE-112 y después se

realizó la determinación alternativa de los

mismos parámetros empleando equipo

convencional y al final se hace una comparación

de los resultados obtenidos con ambas

metodologías.

Determinación de parámetros eléctricos de

acuerdo a IEEE 112-2004

En la norma IEEE, se menciona el procedimiento

para llevar cabo la determinación de los

parámetros eléctricos en un motor de inducción,

esta metodología se realiza de acuerdo al

siguiente procedimiento:

Prueba para determinar la resistencia del

estator

La medición de la resistencia del estator (Rs) se

puede obtener alimentando con una fuente de

corriente directa los devanados del estator.

Experimentalmente se puede realizar de dos

formas principalmente:

1. La resistencia efectiva por fase del estator

a corriente directa, se pudiera medir

aplicando una alimentación a los

devanados del estator mediante una

fuente regulable de corriente directa y

luego aplicar las correcciones del efecto

pelicular y la corrección por temperatura

(Recomendada por la norma IEEE).

2. La resistencia efectiva por fase del estator

a corriente directa, se pudiera medir

mediante un puente de RLC, luego se le

aplicaría la corrección por temperatura

(Método experimental).

En este trabajo se verá el propuesto por la

IEEE; a la resistencia obtenida se le aplicará una

corrección por temperatura. La corrección por

temperatura permite obtener la resistencia a la

temperatura de trabajo. La prueba para

determinar la resistencia del estator se realiza a

corriente continua, pues de esta forma no hay

tensión inducida en el circuito del rotor y no hay

flujo de corriente resultante en él. Además la

reactancia del motor es cero a corriente directa [1]

.






ISSN-2410-3950


Por lo tanto lo único que va a limitar el flujo

del corriente en el motor es la resistencia en el

estator.

Medición alimentando el embobinado con una

fuente variable de corriente directa

Para la realización de este ensayo se utilizaron

un ampérmetro, un vóltmetro y una fuente

variable con las siguientes características

descritas en la tabla 1.

Instrumento Caracteristicas Cantidades

Fuente de Voltage

DC variable

Topward

6303D-1

0 V-500 V

1

Amperímetro Fluke 337

600 V, 1000 A

1

Voltímetro Fluke 87-V 1

Tabla 1 Instrumentos utilizados en la prueba.

El diagrama de conexión del motor a la

fuente de alimentación de corriente continua se

hace de la siguiente manera:

Figura 1 Diagrama de conexión para medir la resistencia

de estator.

Se realizaron las mediciones de la

resistencia del estator entre cada una de las fases

(1-2, 2-3 y 1-3), y los resultados se muestran a

continuación en la tabla 2.

Bornes Amperímetro (A) Voltímetro (V)

1-2 1,4 26,8

2-3 1,4 27

3-1 1,4 26,9

Tabla 2 Mediciones de la resistencia del estator.

Con la reducción del circuito equivalente

por medio de la conversion estrella- delta,

encontramos la resistencia del estator como:

Figura 2 Circuito equivalente resultante de la resistencia

del estator.

Donde:

Rcd: Resistencia a corriente directa (ohms)

Vcd: Voltaje a corriente directa (Volts)

Icd: Corriente directa nominal. (Amperes)

Esta resistencia fue medida a una

temperatura ambiente de 25 °C. Para lograr

obtener una resistencia del estator lo más

cercano a las condiciones de trabajo del motor se

realiza una corrección por temperatura. La

siguente expresión es la recomendada por la

IEEE [2]

.

Donde:






ISSN-2410-3950


Ra: Resistencia que se conoce a una

temperatura ta (ohms).

ta: Temperatura a la que fue medida

Ra(°C).

tb: Temperatura a la cual se requiere hallar

Rb (°C).

Rb: Resistencia que se desea determinar a

una temperatura tb (ohms).

k1: es 234.5 para 100 % cobre, o 225 para

el aluminio [2]

.

El motor permite un aumento de la

temperatura de 40 °C por encima de la

temperatura ambiente. Se determinó la

resistencia del estator a 65 °C y se obtuvo el

siguiente resultado:

Conclusión de la prueba de corriente

directa.

La resistencia de estator (Rs) es igual a

11.1291 Ω.

Prueba en vacío

La prueba en vacío a un motor de inducción es

de gran importancia pues permite determinar las

pérdidas rotacionales del motor e información

acerca de los parámetros del núcleo. Esta prueba

consiste en hacer girar el motor sin ninguna

carga en el eje y alimentado por el estator a

frecuencia nominal y tensión nominal. En la

figura 3 se muestra el esquema de conexión

utilizado para realizar esta prueba.

Básicamente lo que muestra el esquema es

la conexión de un analizador de redes en la

entrada de la alimentación del motor. La prueba

se realizó de manera tal de que el aumento de la

tensión fuera de manera controlada hasta llegar

la tensión nominal del motor.

Figura 3 Esquema para el ensayo en vacío.

En la tabla 3, se muestra los resultados de

las mediciones obtenidas para la prueba de vacío

del motor de inducción en cuestión.

Incremento del Voltaje (%) 10 30 50 70 90 100 110

Voltaje de fase (V) 13.8 38.2 63.2 88.8 114.2 127.3 134

Voltaje de línea (V) 22.2 65.9 109.8 154.2 198.3 220.2 232.5

Corriente de fase (A) 0.3 0.5 0.7 0.9 1.2 1.5 1.7

Potencia absorbida (kW) 0.02 0.02 0.03 0.05 0.09 0.11 0.13

Factor de potencia 0.29 0.29 0.3 0.3 0.3

Tabla 3 Resultados de la prueba de vacío.

La única carga en el motor son las pérdidas

por fricción y por rozamiento con el aire, por lo

que todas las Pconv del motor se consumen en

pérdidas mecánicas y el deslizamiento del motor

es muy pequeño (alrededor del 0.001) [1]

. En la

figura 4, se puede ver el circuito equivalente de

este motor.






ISSN-2410-3950


Con este deslizamiento tan pequeño, la

resistencia que corresponde a la potencia

convertida, RR(1− s)/s, es mucho mayor que la

resistencia que corresponde a las pérdidas en el

cobre del rotor RR y mucho mayor que la

reactancia del rotor X2. En este caso, el circuito

equivalente se reduce aproximadamente al

último circuito de la figura 4. En donde el

resistor de salida está en paralelo con la

reactancia de magnetización XM y las pérdidas en

el núcleo RC.

Figura 4 Circuito equivalente de motor de inducción.

Las pérdidas en el cobre del estator se

calculan mediante la expresión:

(3)

Donde:

Ppce: Pérdidas en el cobre del estator.

I1: Corriente medida a tensión nominal.

Para un motor de inducción en marcha en

vacío, la potencia de entrada viene dada por:

(4)

Donde:

P0: Potencia de vacío.

Pnúcleo: Pérdidas en el núcleo.

Pf y r: Pérdidas por fricción y rozamiento.

Pmiscel: Pérdidas por miscelánea.

Las pérdidas rotacionales de un motor de

inducción se puede expresar por medio de:

(5)

Despejando de la ecuación (4) se obtiene

que:

(6)

Sustituyendo los valores se obtiene que:

Prot= 34.88 W

Prueba a Rotor Bloqueado

La prueba de rotor bloqueado en un motor de

inducción se llevó a cabo para determinar los

parámetros del circuito equivalente del motor.

Cuando se menciona prueba de rotor bloqueado

en un motor de inducción, es similar a decir

prueba de cortocircuito un transformador.

Bloqueo total de rotor del motor de inducción

Este es el método más común de realizar esta

prueba. Consiste en bloquear de una forma

segura logrando así que este no gire. Bajo la

condición de rotor bloqueado el deslizamiento es

(s=1) y la resistencia de carga R2 será próximo a

cero.

Para realizar la prueba se alimenta el motor

con una fuente de corriente alterna y se ajusta el

valor de la tensión de alimentación hasta

alcanzar la corriente nominal a plena carga;

cuando se alcanza este valor de corriente se mide

el valor de tensión alacanzado y la potencia que

se consume en el motor. En la figura 5 se

muestra las conexiones para esta prueba.






ISSN-2410-3950


Figura 5 Esquema de prueba a rotor bloqueado.

Parámetro Fase A Fase B Fase C Total

Voltaje de Fase 25.9 V 26 V 25.8 V

Voltaje de Línea 44.6 V 44.5 V 44.5 V

Corriente de

línea 1.3 A 1.4 A 1.4 A

Frecuencia 59.97 Hz

Potencia activa

0.02

kW

0.03

kW

0.03

kW

0.08

kW

Potencia activa

0.03

kW

0.04

kW

0.04

kW

0.11

kW

Potencia activa

0.02

kW

0.03

kW

0.03

kW

0.07

kW

Factor de

potencia 0.71

Tabla 4 Resultados de la prueba a rotor bloqueado.

Como se había dicho anteriormente puesto

que el rotor no se mueve, el deslizamiento (s=1)

y por lo tanto la resistencia del rotor (RR/s) es

igual a RR (un valor bastante pequeño). Debido a

que RR y X2 son tan pequeños, casi toda la

corriente de entrada fluye a través de ellos, en

lugar de a través de la reactancia de

magnetización XM que es mucho más grande. Por

lo tanto, el circuito en estas circunstancias se ve

como una combinación en serie de X1, Rs, X2 y

RR [1]

, como se observa en la figura 6.

Figura 6 Circuito equivalente sin la rama del núcleo.

A partir de las mediciones de los

parámetros de esta prueba y utilizando como

guía el circuito de la figura 6, se obtuvieron los

siguientes parámetros:

(7)

Donde:

IL prom: Corriente de línea promedio en

(Amper).

La impedancia a rotor bloqueado se puede

calcular mediante:

(8)

Donde:

ZRB: Impedancia a rotor bloqueado en

(Ohms).

O podría también calcularse mediante:

(9)

Se puede determinar la resistencia a rotor

bloqueado (RRB) mediante la siguiente

expresión:

(10)

Donde:

RRB: Resistencia a rotor bloqueado (Ohms).

ϴ: es el ángulo del factor de potencia

(44.765°).

Si se observa el circuito equivalente de la

figura 2.1.3.1,

(11)






ISSN-2410-3950


Despejando la ecuación y sustituyendo el

valor de la resistencia del estator se obtiene que:

De manera similar se calcula la reactancia

a rotor bloqueado (XRB):

(12)

De acuerdo a la norma IEEE 112 para los

motores de inducción clase B la relación:

(13)

Por lo tanto:

La reactancia en el rotor sería:

Solo queda determinar la reactancia de

magnetización, la cual es igual a:

(14)

Donde:

XM: Reactancia de magnetización.

Zsc: Impedancia sin carga.

La impedancia sin carga se obtiene

mediante la expresión:

(15)

Sustituyendo en la ecuación (15) se

determina que la reactancia de magnetización

(XM) es de 79.46 Ω.

Resultados

En un resumen de resultados obtenidos

mediantes las pruebas realizadas siguiendo la

IEEE 112-2004, se obtienen los parámetros de

circuito equivalente del motor de inducción.

Figura 7 Circuito equivalente con los parámetros

calculados.

Resistencia de estator

Utilizando el procedimiento de la norma IEEE:

Rs=11.1291 Ω.

Prueba de vacío

Ppce= 75.12 W

Prot= 34.88 W

Prueba a rotor bloqueado

Utilizando el procedimiento de la norma IEEE:

Rr=1.954 Ω

XM= 79.46 Ω

X1= 5.198 Ω

X2=7.797 Ω






ISSN-2410-3950


Determinación de parámetros eléctricos por

medios experimentales alternativos

A continuación se describe la metodología

alternativa para la determinación de parámetros

de un motor de inducción, considerando el uso

de equipamiento convencional, para esto se

utilizaron los siguientes equipos que se

mencionan en la tabla 5.

Instrumento Caracteristicas Cantidades

Puente RLC GWINSTEK

LCR-916

1

Amperímetro Fluke 337

600 V, 1000 A

1

Voltímetro Fluke 87-V 1

Tabla 5 Instrumentos utilizados.

Los parámetros determinados fueron los

mismos que la norma IEEE-112, para su

posterior comparación.

Prueba para determinar la resistencia del

estator

El esquema de conexión para medir la resistencia

de estator con el puente RLC, se muestra en la

siguiente figura:

Figura 8 Esquema de conexión del puente RLC.

Para la utilización del puente RLC

primeramente se calibró de acuerdo al

procedimiento descrito en el manual de

operación y se midió la resistencia del estator.

Los resultados se muestran en la siguiente

tabla 6.

Bornes Impedancia

1-2 18.35∟57° Ω

2-3 18.32∟56.9° Ω

3-1 18.34∟57.2° Ω

Tabla 6 Resultados utilizando el puente.

Convirtiendo a forma binómica las

impedancias del estator se obtiene que:

Z=9.99+j15.35

Se dice entonces que la resistencia del

estator a una temperatura de 25°C es de 9.99 Ω,

realizando la conversión de acuerdo a la norma

IEEE 112, la resistencia del estator a la

temperatura de trabajo del motor se tiene que:

Sustituyendo el nuevo valor de resistencia

en la expresión de la ecuación (2) se obtiene

La resistencia de estator (Rs) es igual a

11.531 Ω.

Cálculo de pérdidas

Utilizando los resultados obtenidos en la prueba

de vacío en cuanto a la corriente se refiere se

calcula las pérdidas del motor.

(17)






ISSN-2410-3950


Se calculan las pérdidas rotacionales:

(18)

Sustituyendo los valores se obtiene que:

Prot= 32.17 W

Medición de los parámetros del rotor

mediante el puente RLC

Mediante el puente RLC se realiza una medición

directa en el rotor. La medición se realizó

colocando los electrodos de medición

directamente en los anillos de cortocircuito del

rotor. Esta medición arrojo como resultado que

la impedancia en el rotor es de 0.001∟1.3° Ω

que convirtiendolo a su forma binómica en

Z=0.0099+j0.000268. Como se puede apreciar

medir el rotor de esta manera no es correcto pues

el resultado arrojado es completamente erróneo.

Prueba de rotor bloqueado alternativa

La prueba a rotor bloqueado se puede realizar sin

la necesidad de bloquear el rotor, solo aplicando

la corriente nominal al estator del motor de

inducción. Este procedimiento consiste en retirar

el rotor del motor, aplicando unicamente el valor

de la corriente nominal al estator por medio de

una fuente variable de corriente y se incrementa

la corriente hasta lograr la nominal, en ese punto

se tomaron las mediciones siguientes:

Parámetro Fase A Fase B Fase C Total

Voltaje de Fase

21.07

V

21.06

V 21.08 V

Voltaje de Línea 36.6 V 36.4 V 36.6 V

Corriente de

línea 1.4 A 1.4 A 1.4 A

Frecuencia 60 Hz

Potencia activa

0.02

kW

0.03

kW 0.02 kW

0.07

kW

Potencia activa

0.03

kW

0.03

kW 0.04 kW 0.1 kW

Potencia activa

0.02

kW

0.03

kW 0.02 kW

0.07

kW

Factor de

potencia 0.7

Tabla 7 Tabla de resultado.

Aplicando la misma metodología para el

cálculo de los parámetros de acuerdo a la norma

IEEE-112, se obtienen los siguientes resultados.

IL prom = 1.4 A

ZRB = 15.57 Ω

RRB = 10.53 Ω

Rr = 0.79 Ω

XRB = 13.248 Ω

XM = 79.301 Ω

X1 = 5.299 Ω

X2 =7.949 Ω

Comparación de resultados.

Después de haber obtenidos todos los parámetros

del circuito equivalente del motor de inducción

utilizando los dos métodos, se puede realizar una

tabla comparativa para ver las desviaciones

respecto a cada una de las metodologías como se

muestra






ISSN-2410-3950


Parámetros Resultados

(IEEE)

Resultados

(Ensayos)

%

Diferencia

Rs 11.1291 Ω 11.531 Ω 3.48

Rr 1.954 Ω 0.79 Ω 58

XM 79.46 Ω 79.301 Ω 0.2

X1 5.198 Ω 5.299 Ω 2

X2 7.797 7.949 Ω 1.91

Ppce 75.12 W 77.83 W 3.4

Prot 34.88 W 32.17 W 7.79

Tabla 8 Tabla de resultados generales.

Como se observa la diferencia de

resultados entre en un método y otro es muy

pequeña solo existe una gran diferencia en el

valor obtenido de la resistencia del rotor, esto es

debido a que no se considera dentro de la

medición la reactancia de dispersión debido a los

materiales del rotor tomando en cuenta

únicamente el campo magnético del estator en la

velocidad de sincronismo, aunque esta diferencia

es menor del 1%.

Conclusiones

El método alternativo implementado sirve para

determinar los parámetros en un motor de

inducción. Se recomienda seguir los criterios

establecidos por la IEEE, pero en una situación

donde no se tengan las condiciones necesarias

para cumplirlas, este método alternativo puede

ser una variante que permite estimar de manera

aproximada los parámetros del circuito.

Agradecimiento

Quisiera agradecer a CONACYT por la beca

otorgada para realizar mi Maestría en Ingenieria

Eléctrica en la Universidad de Guanajuato. A

mis compañeros de la maestría por el apoyo en el

desarrollo de este trabajo.

Referencias

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Editorial McGrawHill-Interamericana,

Cuarta Edición. México 2005.

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18



Navegación multi-objetivos para robots móviles en entornos con obstáculos

VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J*†, PORTILLO-VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y PORRAGAS-

BELTRÁN, L. Universidad Veracruzana, Lomas del estadio s/n, Edificio


Resumen

En este trabajo se plantea una estrategia de navegación

con objetivos para robots móviles, basada en condiciones

geométricas de un entorno de trabajo El problema se

aborda a partir de descomposiciones y triangulaciones

poligonales del espacio de trabajo; y un controlador

asíntótico que permite a los robots desplazarse de un

punto a otro sin conocimiento inicial de las condiciones

del ambiente. En la estrategia se diseña un algoritmo de

generación de rutas basado en características de

visibilidad hacia una meta global en función de la

existencia de obstáculos fijos o móviles, mismos que

permiten definir la existencia de puntos auxiliares de

control como mínimos locales en el problema de

convergencia hacia una meta global. El proceso involucra

conmutaciones de referencias cuando, sin que se haya

alcanzado un mínimo local, el robot encuentre mejores

condiciones de posicionamiento con visibilidad plena

hacia el objetivo.

Robot móvil, Navegación, Obstáculos móviles,

Colisión

Abstract

This paper addresses the navigation problem for mobile

robots under uncertain working conditions. It is assumed

that the environment is unknown at the beginning of any

experiment and that a visual feedback module supports

the navigation strategy to make a set of robots achieve a

goal in an environment with obstacles. The proposed

navigation algorithm depends on the obstacle

localization, and it is based on visibility conditions of the

goal and control points that are defined from the

geometric distribution of the environment.

Mobile Robot, Navigation algorithm, mobile obstacles

Citación: VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J, PORTILLO-VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L y PORRAGAS-BELTRÁN,

L. Navegación multi-objetivos para robots móviles en entornos con obstáculos. Revista de Sistemas Experimentales

2016, 3-8: 18-26

*Correspondencia al Autor (Correo Electrónico: [email protected])



19



ISSN-2410-3950


VÁZQUEZ-SANTACRUZ, J, PORTILLO-VELEZ, R, MARÍN-URIAS, L

y PORRAGAS-BELTRÁN, L. Navegación multi-objetivos para robots

móviles en entornos con obstáculos. Revista de Sistemas Experimentales

2016

Introducción

Problemas como exploración y transporte de

materiales requieren de soluciones que pueden

ser atendidas por algoritmos de navegación

autónoma de un conjunto de robots móviles

trabajando de forma sincronizada. En general,

los algoritmos para navegación de robots

móviles han tenido un creciente en la

actualidad. En [7] se presenta una revisión del

estado del arte en el tema de navegación para

robots móviles. Con respecto a la generación de

esquemas que doten de autonomía a un robot

para poder desplazarse ágilmente en un entorno

desconocido, algunos enfoques importantes

usan herramientas probabilísticas de

localización [2], [4]; mientras que en [3] se

implementa una estrategia de navegación

haciendo uso de localización basada en

sistemas inalámbricos sensoriales. Con respecto

a las condiciones de colisión entre robots en

entornos con obstáculos, en [14] se desarrolla

una revisión de esquemas de navegación con

obstáculos. Los métodos de reconocimiento y

modelado del entorno han sido abordados en

[8], donde se aborda una estrategia basada en

redes neuronales, o en [12], donde la

conectividad de diversos puntos sensoriales

define el espacio de trabajo, o en [13], donde se

desarrolla un mapeo basado en sensores y

cuadriculas de ocupación.

Por su parte, la consideración de

obstáculos móviles cuando más de un robot se

desenvuelve en un entorno, define un obstáculo

en movimiento con el que hay que lidiar. En

[15] se aborda la definición de puntos de

control para efectos de guía en ambientes con

objetivos dinámicos. Para problema de

navegación con objetivos, enfoques como [10]

abundan en el problema clásico de un par de

agentes en el que uno de ellos busca atrapar al

otro en un espacio poligonal cerrado. En ese

trabajo se definen algoritmos de avance y

localización garantizando una convergencia al

objetivo en tiempo finito.

La definición de espacios de trabajo

mediante segmentos poligonales también es

tratada en [11], donde mediante un sistema de

visión, un robot puede navegar de un punto a

otro. En [5] se abordan propiedades de

descomposición de polinomios convexos para

la implementación de el algoritmo de

navegación A*.

En este trabajo se propone una estrategia

de navegación mediante polígonos definidos

por los obstáculos en un entorno de trabajo;

dichos polígonos son la base de la definición de

los puntos de referencia que permiten a un

conjunto de robots construir su trayectoria hacia

la meta. Se considera para efectos

demostrativos el uso de dos robots, cuya

perspectiva individual den entorno considera

obstáculos fijos, así como unobtaculo móvil

dado por el otro robot siguiendo su propia

trayectoria.

El trabajo está estructurado como sigue:

en la Sección 2 se describe a detalle el

problema abordado y la estrategia general a

seguir, incluyendo la definición del entorno de

trabajo y el algoritmo de navegación. En la

Sección 3 se aborda el sistema de control y una

discusión general sobre la convergencia en

tiempo finito del algoritmo para cada robot. La

plataforma experimental y descripción de los

experimentos es tratada en la Sección 4 y,

finalmente, se presentan algunas conclusiones y

trabajo futuro en la Sección 5.

Definición del problema

El escenario de trabajo considera dos robots del

tipo diferencial cuya tarea consiste en

desplazarse desde un punto inicial hasta una

meta global individual Mm cuya posición es

conocida, en un entorno con obstáculos

originalmente desconocido.

20



ISSN-2410-3950





2016

La posición de cada robot y los

obstáculos es determinada por un sistema de

localización absoluta fijo en la parte superior

del espacio de trabajo. Aunque el problema

bien podría definirse para un conjunto de n

robots, en cuyo caso se dispondría de un

ambiente dinámico genera con obstáculos en

movimiento, en este trabajo se plantea la

definición de una estrategia para solo dos de

ellos sin pérdida de generalidad.

En la Figura 1 se muestra el ambiente de

operación de los robots Rm cuya meta esta

dispuesta de tal forma que deban evadirse k

obstáculos para alcanzarla.

El método de navegación y arribo a la

meta, considera el uso de puntos de control Pc

que se definen mediante triangulación

poligonal. Los puntos de control definidos

desempeñan el papel de mínimos locales que

mediante un controlador asintótico bien

definido son buscados a fín de que el robot Rm

pueda posicionarse mejor para alcanzar el

mínimo global definido por la meta Mm.

Figura 1 Escenario de trabajo.

A. Triangulación y Puntos de control

El robot Rm parte de una posición Prm = [xr(0),

yr(0), Өr(0)]T, con conocimiento pleno de la

posición de la meta, PMm = [xMm, yMm]T,

constante. Por otro lado, el acceso en tiempo

real a un sistema de localización absoluta,

permite identificar la posición de cada posible

obstáculo Poj = [xoj , yoj ]T, con j = 1, 2...k.

Antes de comenzar la navegación por parte del

robot Rm, se lleva a cabo una reconstrucción

preliminar del área de trabajo, la cual ubica y

considera la distribución de obstáculos y resto

de robots en el mismo espacio para identificar

una posible ruta. En función de esta

información, se define un polígono, utilizando

como vértices, los puntos Poj que definen la

posición de cada obstáculo. Naturalmente, la

definición del polígono puede tener múltiples

formas, por lo que se define en este caso a partir

de un obstáculo aleatorio como vértice inicial

P1 y se analiza una ruta que conecte de manera

continua todos los obstáculos sin intersección

hasta regresar al vértice inicial. De este modo,

el resultado es un polígono de k lados, el cual

se divide para la obtención de (k – 2) triángulos

[6] como se observa en la Figura 2.

Los puntos de control Pci, con i = 1, ...,

(2k −3), eventualmente tendrán el papel de

mínimos locales, y se definen como los puntos

medios de los (2k−3) trazos resultantes de la

definición del polígono y su triangulación, tal

como se muestra en la misma Figura 2. Nótese

que la triangulación reduce una forma compleja

en una colección de formas geométricas

simples mediante diagonales internas sin

intersección, definidas mediante a

interconexión de dos vértices no consecutivos

dentro del polígono [16].

21



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2016

Figura 2 Triangulación y puntos de control.

Estos puntos sirven de referencia cuando

la meta Mm no es alcanzable; en este caso, el

robot Rm deberá decidir sobre cuál punto de

control Pci es adecuado para reposicionarse en

busca de una mejor visibilidad de la meta. Esto

sin embargo, no implica que deba pasar por

todos los puntos definidos, lo que definiría una

solución poco práctica en tiempo de

convergencia. Consecuentemente, es necesario

identificar el progreso del robot hacia la meta a

través de una métrica de desarrollo δr, la cual

que indique la evolución del proceso de tal

modo que se garantice la llegada del robot a la

meta en un tiempo finito.

B. Algoritmo de navegación

Dado el conocimiento de la posición de la meta,

se define una función lineal ξsegm cuyo dominio

γξm es tal que |Prxm | ≤ γξm ≤ |PMxm |, esto es, se

define a partir del rango de coordenadas de la

posición del robot Rm a la meta Mm a lo largo

del eje X. Esta función en todo momento es

evaluada con respecto a su continuidad, la cual

está asociada con la posible intersección con

obstáculos como se muestra en la Figura 3,

donde claramente R2 pierde visibilidad hacia su

respectiva meta debido a la presencia de un

obstáculo.

De esta manera, la visibilidad de la meta

desde el robot puede definirse como sigue:

Figura 3 Evaluacion de visbilidad hacia la meta.

∅ si ∃ γ ∈ γξm : ξ(γ) = ηj(γ)

ξseg =

(1)

ξ (PMm, PRm) en otro caso

Donde ηj(.) define una área de influencia

de un obstáculo i, que por simplicidad se define

de forma circular, como lo muestran las zonas

sombreadas en la Figura 2.

La ecuación (1) define una posible

pérdida de visibilidad cuando el segmento

lineal que une la meta Mm con el robot Rm,

coincide con un obstáculo en un dominio

común γ ∈ γξm en cuyo caso ξseg no está

definida. En esta instancia, en busca de una

nueva ruta libre de obstáculos, se plantean

objetivos parciales de control que

eventualmente permitirán al robot posicionarse

mejor y definir nuevamente la función ξ (PMm,

PRm), ahora con visiblidad a la meta.

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2016

El algoritmo parte de un escenario con los

(2k −3) puntos de control dentro del polígono

definido por los obstáculos. Cuando el robot

tiene definida una referencia de control dado

por alguno de ellos, entonces tal punto de

control Pci representa un mínimo local y será

buscado por un controlador asintótico definido

en coordenadas polares como [1],

ν= kp ρ

ω = kα + kϕϕ

(2)

Donde ρ = ||PMm – PRM||, kp, kα y kϕ

son ganancias de control, con parámetros

auxiliares α y ϕ definidos en la Figura 4, donde

se describe gráficamente la ciemática de los

robots con respecto a la definición de la

estrategia de control de la ecuación (2).

Figura 4 Cinemática del robot .

La estrategia de arribo a la meta global

Mm, consiste en evaluar la interferencia de los

segmentos lineales ξ (PMm, PRm) con posibles

obstáculos. En función de ésto y de acuerdo a la

ecuación (1), al existir visibilidad plena el robot

buscará la meta, o bien, al ser interrumpido el

segmento lineal, el esquema de navegación

determinará algún punto de control desde donde

se garantice una visibilidad hacia Mm.

Sin embargo, bajo esta descripción

general no existe garantía de lograr el objetivo

global, puesto que múltiples puntos de control

pueden satisfacer las condiciones de visibilidad

o al contrario, pueden ser visibles para el robot,

pero representan una situación sin más

posibilidades de dirección; en este caso el robot

puede quedar detenido en un mínimo local sin

posibilidad alguna de continuar. Situaciones

como ésta se muestran en la Figura 5, donde se

muestra un caso de bloqueo y un caso con un

comportamiento deseado a partir de una misma

posición de un robot mediante conectividad de

puntos de control.

Figura 5 Casos de desempeño de ruta de robot .

Sistema de control y convergencia en tiempo

finito

La solución trivial al problema de

convergencia, se presenta cuando el robot

dispone de una ruta visible ξ(PMm, PRm) a la

meta, en cuyo caso, el controlador (2), siendo

globalmente asintóticamente estable, garantiza

la convergencia a la misma.

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2016

Sin embargo, en presencia de un

obstáculo j que impida la visibilidad directa,

esto es que ξseg = ∅, el robot determinará como

objetivos parciales de control alguno de los

puntos de control predefinidos, de tal modo que

la métrica de progreso δr tenga un

comportamiento monótono que garantice el

arribo a la meta en un tiempo finito.

Considérese el monitoreo del progreso de

navegación a partir de,

δr = ||PMm − PRm||

(3)

con un comportamiento deseado de la

forma,

lim t→∞ δr = 0, (4)

Que en términos prácticos sugiere que el

robot debe acercarse en todo momento a la

meta, lo que a su vez delimita a los puntos de

control a aquellos que además de la visibilidad,

muestren una tendencia a acercarse a la meta.

Para tal efecto, la toma de la decisión sobre qué

punto de control Pci es elegido como

referencia, se hace mediante la evaluación de

dos condiciones: deberá ser el punto de control

más cercano a Mm que sea visible por P, y

deberá existir una ruta que conecte uno o varios

puntos de control que concluya con visibilidad

plena a la meta Mm. Esto garantiza que la

distancia δr se reduzca y se expresa como,

Pcref = [xi, yi]T ∈ ξ (Pci , Prm)|min(||Pci −

PMm||) ,

∃Pci+z | ξ (Pci+z , Pm) = ∅

(5)

Para i = 1, 2...(2k −3) y con z un índice

que define algún punto de control posterior a

Pci . De este modo, el punto de control visible

más cercano a la meta o con salida a la misma,

Pcref, tendrá el papel de referencia y el robot

buscará llegar a él.

Existe sin embargo, una situación

importante para el cumplimiento de (4) en un

tiempo aún menor que el destinado a lograr los

correspondientes puntos de control. Aunque la

ruta generada por el algoritmo puede asociar a

más de un punto control, se establece que en

todo momento es prioridad la visibilidad de la

meta, por lo que durante el proceso de arribo a

un punto de control que cumpla con las

condiciones (5), éste puede ser interrumpido si

la meta logra ser visible. En ese caso, el robot

se direcciona en el mismo momento que

encuentra la meta y ésta se vuelve la nueva

referencia en el control. Se trata de un sistema

de interrupciones o ”switcheos” cuya

convergencia puede ser analizada bajo

determinadas circunstancias [9]. El esquema de

conmutación se muestra en la Figura 6.

Por otro lado, para garantizar un

comportamiento del error decreciente,

independientemente de las interrupciones, se

deben tener presente el desempeño del

controlador (2), el cual garantiza estabilidad

exponencial basado en la cinemática del robot

móvil diferencial en coordenadas polares ( ρ y

α). En [1] está demostrado que el movimiento

de un punto inicial a uno final del robot, es

suave y robusto, garantizando la convergencia

exponencial con,

kρ > 0, kϕ < 0,

kα + kϕ − kρ > 0. (6)

Figura 6 Sistema con conmutaciones.

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2016

Como se ha mencionado, esta estrategia

de control es usada para posicionar al robot Rm

a cualquier referencia aunque, éstas no

necesariamente deban ser alcanzadas totalmente

en vista de la repentina visibilidad de la meta

global. En este escenario, aunque la estabilidad

local y global con respecto a un punto de

control es garantizada, la convergencia a la

meta requiere la satisfacción de las condiciones

(5).

Plataforma experimental y resultados

La plataforma de experimentación consiste en

un par de robots diferenciales I-Create®

en un

espacio de trabajo cubierto por un sistema de

localización absoluta que consta de una cámara

digital. Se dispone de una PC como sistema de

control central con comunicación inalámbrica

con cada robot, que han sido adaptados con

un módulo de comunicación Bluetooth; y vía

alambica con la cámara que identifica en

tiempo real la posición de los obstáculos y de

cada robot.

En la Figura 7 se muestra la plataforma

experimental descrita.

Figura 7 Plataforma experimental.

En la Figura 8, se describe el

funcionamiento general del algoritmo muestra

la operación de los experimentos en su

funcionamiento general.

Figura 8 Algoritmo general de funcionamiento.

El robot Rm es posicionado

aleatoriamente en el espacio de trabajo, y es

capaz de identificar, con apoyo del sistema de

localización, los elementos involucrados para

definir una ruta que eventualmente termine en

la meta. La duración del experimento es

proporcional al número de obstáculos y el

efecto de los mismos con respecto a la función

de visibilidad.

Los siguientes resultados muestran un

experimento con dos obstáculos fijos, por lo

que cada robot percibe tres obstáculos, dos fijos

y uno móvil. Cada robot parte de una posición

aleatoria en el plano XY de operación de 3 m x

2 m.

En la Figura 9 se observa las rutas

desarrolladas por cada robot al comenzar en una

posición aleatoria del plano, con las metas

definidas en el otro extremo correspondiente.

Nótese la presencia de dos obtáculos y la zona

de influencia de cada uno de ellos, defiinida por

una función circular de 10cm de radio.

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2016

Es necesario remarcar que una estrategia

de evasión de colisión entre los dos robot se ha

implementado de manera simple de tal modo

que cuando cada robot entra en la zona de

influencia de otro en movimiento, se establece

un criterio de prioridad, en el que el robot más

cercano a su meta contnúa avanzando, mientras

el otro se detiene hasta recuperar la ruta libre

con visibilidad al objetivo correspondiente. En

la Figura, esta situación es susceptible de

ocurrir ya que ambos robot intersectan su

trayectoria en busca de sus metas.

Figura 9 Rutas desarrolladas por cada robot.

El desempeño del controlador se muestra

en la Figura 10, donde se puede apreciar el el

comoportamiento de la distancia hacia la meta

global, en trayectorias repetidas,

correspondientes al experimento mostrado en la

Figura 9.

Nótese que para ambos robots, el error

inicial decrece con el tiempo en forma repetida,

dependiendo la referencia que se actualiza. La

gráfica muestra un desemeño global, por lo que

las referencias locales dadas por los puntos de

control, se perciben de forma mínima en las

conmutaciones señaladas, que se producen

cuando mejores condiciones de visibilidad

surgen.

Figura 10 Rutas desarrolladas por cada robot.

Conclusiones

Los resultados obtenidos validan el

planteamiento de navegación propuesto en este

trabajo de un modo práctico, permitiendo a un

conjunto de robots, desarrollar una estrategia de

navegación en un entorno desconocido

inicialmente. Como parte del algoritmo, se han

definido criterios que garantizan la

convergencia del objetivo de control en tiempo

finito. El trabajo marca la pauta para definir un

escenario más realista, que considere un

entorno con una aplicación real en un entorno

no controlado; esto sugiere una mejora del

trabajo en el que el sistema de

retroalimentación visual este a bordo del

vehículo, de tal modo que el espacio de trabajo

pueda extenderse. Nótese que el algoritmo de

navegación es general y por lo tanto puede ser

aplicado a otro tipo de robots móviles que

utilicen un controlador asintótico.

Una mejora adicional que se ha identificado, es

una limitante en las velocidades que el robot

puede desarrollar asegurando estabilidad del

sistema. Esto se debe a la velocidad de captura

de la cámara usada como retroalimentación de

posición, por lo que una solución inmediata

consiste en adquirir un dispositivo de alta

velocidad, o lidiar con alguna estrategia de

compensación del retardo que una baja tasa de

captura induce en la información de posición de

cada robot.

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ISSN-2410-3950





2016

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27



Proceso sustentable de obtención de biodiesel

BAUTISTA-VARGAS, María*†, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ, René’ y

TORRES-MORENO, Ruth.

Universidad Politécnica de Altamira, Programa Académico de Ingeniería en Energía, Dir. Nuevo Libramiento Altamira –

puerto industrial km 1.5, acceso por el km 30 de la carretera Tampico – Mante, C.P. 89600

‘Centro Universitario Tampico-Madero de la Universidad Autónoma de Tamaulipas.


___________________________________________________________________________________ Resumen

La biomasa, se ha convertido en una alternativa viable

para la producción de biocombustibles, como lo es el

biodiesel. En la presente investigación, se muestra la

producción de biodiesel a partir de los residuos de aceite

usado de cocina, mediante el proceso de

transesterificación con la utilización de un procesador

ultrasónico y como catalizadores el hidróxido de potasio

y el metanol. Para la obtención del biodiesel se trabajó en

tres fases, la primera corresponde al filtrado del aceite, la

segunda fase la realización de la transesterificación del

mismo y la tercera fase el lavado del biodiesel con agua

destilada. De acuerdo a la experimentación realizada, se

determinó que en el rango de 30 segundos, de 50 a 100%

de amplitud y un ciclo; en comparació, se obtuvo en

promedio el 95% del volumen procesado a 60 segundos,

con las mismas condiciones, pero contando con la ventaja

de no precalentar el aceite antes de procesarlo. Es por

ello, la necesidad de poder reutilizar los residuos de

aceite de cocina, para llevar a cabo el procesamiento de

estos y convertirlos en un biocombustible, impulsando

así la economía, las energías renovables y la

concientización ambiental.

Energías Renovables, Proceso Sustentable, Resudio de

Aceite Usado de Cocina, Biodiesel, Procesador

Ultrasonico

Abstract

The biomass have coverted in a viable alternative to

biofuels production, how to it´s a biodiesel. In the present

investigation it´s show the biodiesel´s production as of

residue of cooking oil by the transesterification´s process

with it using of the ultrasonic processor and as catalyst

the potassium hydroxide and the methanol. For the

obtention of biodiesel we worked in three phases, the

first phase be responsible to the filter of oil, the second

phase be the realization of the transesterification of the

same and the third phase be the biodiesel´s washed with

distilled water. According to the rewarded

experimentation, themselves determinate to the range of

30 seconds of 50 to 100% of amplitude and a one cicle,

in a comparison, themselves got in a average of 95%

from the processed volume to 60 seconds with the same

conditions, but count with the adventaje of it don´t

preheat the oil before of process it. It´s therefore, the

necessity of we can re-use the residue of cooking oil to

carry out the prosecution of this and convert them in a

biofuel, it´s driving like this the economy, the renewable

energy and the environmental awareness.

Renewable Energy, Sustainable Process, Residue

of Cooking Oil, Biodiesel, Ultrasonic Processor

Citación: BAUTISTA-VARGAS, Marí, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-CRUZ, René’ y TORRES-

MORENO, Ruth. Proceso sustentable de obtención de biodiesel. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 27-35

*Correspondencia al Autor (Correo electrónico: [email protected])



28



BAUTISTA-VARGAS, Marí, GARCÍA-NAVARRO, Josefina, CABRERA-

CRUZ, René’ y TORRES-MORENO, Ruth. Proceso sustentable de obtención de

biodiesel. Revista de Sistemas Experimentales 2016

ISSN-2410-3950


Introducción

El Desarrollo Sustentable, según la Ley General

del Equilibrio Ecológico y Protección al

Ambiente (2013), es el proceso evaluable

mediante criterios e indicadores del carácter

ambiental, económico y social que tiende a

mejorar la calidad de vida y la productividad de

las personas. La presente investigación pretende

atacar los tres criterios, desde el punto

ambiental al reutilizar el Residuo de Aceite

Usado Cocina (RAUC) como materia prima

para la obtención de un biocombustible,

disminuyendo así el daño al medio ambiente

puesto que este habitualmente es vertido a las

aguas y se estima que un litro de aceite

contamina cerca de un millón de litros de agua

(Brito et al., 2007). Desde el aspecto

económico, para un país en desarrollo como lo

es México, la producción de biocombustibles

atiende los problemas que conlleva la

disminución significativa de las reservas de

combustibles fósiles obteniendo en el biodiesel

un sustituto viable de estos (Gónzales et al.,

2011). La nueva industria agroenergética,

implica una cadena productiva que impacta en

forma más directa a los diferentes sectores de la

economía, especialmente en lo referente a la

generación de empleo y desarrollo agrícola y

agroindustrial (Cortés et al., 2008). Y desde el

componente social, al usar el aceite usado de

cocina como material prima del biodiesel no se

compite con el sector alimenticio,

contribuyendo así con la cultura de

concientización ambiental (Hérnandez et al.,

2008).

El Biodiesel, se define como esteres de

mono alquilo constituidos por cadenas largas de

ácidos grasos derivados de los aceites vegetales

o animales como resultado de su

transesterificación (Rivero et al., 2006).

El proceso de transesterificación consiste

en la conversión de los triglicéridos, estéres de

ácidos grasos y glicerol, que conforman los

aceites vegetales en metil o etil estéres de los

mismos ácidos grasos. Lo cual se logra,

tratando a los aceites vegetales con metanol o

etanol en medio ácido o alcalino, obetniendo así

la mezcla correspondiente al biodiesel, y como

subproducto de la transesterificación se obtiene

glicerina (Túqueres, 2015).

La glicerina se puede purificar

calentándola a 65.5 °C para evaporar el

metanol, esto la hace segura al contacto con la

piel, o bien se puede utilizar para producir

metano por pirolisis. El transporte y

almacenamiento del biodiesel resulta más

seguro que el de los Petroderivados, ya que

posee un punto de ignición más elevado. El

biodiesel puro, posee un punto de ignición de

148°C contra los escasos 51°C del gasoil. La

calidad del producto acabado puede

comprobarse visualmente y midiendo su pH, el

cual debe ser 7, tener un color de aspecto de

aceite vegetal con un matiz marrón parecido a

la sidra (Meher et al., 2006; Carta et al., 2009).

El metanol requerido debe ser anhidro y

tener 99% pureza para evitar la formación de

jabones indeseables, se requiere

aproximadamente del 15 al 20 % del volumen

de aceite a procesar (MA y Hanna 1999; Carta

et al. 2009; Franco 2013).

Las bases fuertes como el NaOH y el

KOH son los catalizadores más usados. Estos

hidróxidos presentan altas conversiones a

condiciones moderadas y tiempos de reacción

cortos, además requieren pequeños volúmenes

de alcohol (Mittelbach et al., 2004; Moser,

2009).

29






ISSN-2410-3950


Para el proceso de transesterificación se

utiliza un procesador ultrasónico, el UP400S

(400W, 24kHz) de Reactores Hielscher

ultrasonidos. Las oscilaciones ultrasónicas se

transmiten a través del sonotrodo, que está en

contacto directo con la zona calentada. Este

equipo mejora la eficiencia del proceso de

transesterificación, en un proceso de

transformación convencional los porcentajes de

catalizador y alcohol son mayores, así como la

cantidad de energía térmica aplicada para

favorecer la cinética de reacción (Carta et al.,

2009).

Las ondas de ultrasonido son

imperceptibles para el oído humano, sin

embargo son empleadas en los materiales que

se utilizan para la producción de estos

combustibles. Manejan pequeños pulsos y son

capaces de producir altas temperaturas las

cuales separan la parte más viscosa de los

aceites, cuya fase es esencial en la obtención

del recurso energético. La tecnología de

mezclado ultrasónico continuo de Hielscher,

mejora el rendimiento de biodiesel y reduce sus

costos. La mezcla ultrasónica mejora la

emulsificación de metanol en el aceite y genera

más y más pequeñas gotitas. Esto conduce a

una mejor distribución del catalizador y mayor

eficiencia (Meher et al., 2006, Carta et al,

2009; Prafulla et al., 2012).

Es por ello, la necesidad de poder

reutilizar los RAUC, para llevar a cabo el

procesamiento de estos y convertirlos en un

biocombustible, impulsando así la economía,

las energías renovables y la concientización

ambiental.

Metodología a Desarrollar.

En la presente investigación se utilizo el

método del proceso de transesterificación, para

poder determinar el punto optimo de obtiencion

de biodiesel utilizando el equipo de procesador

ultrasónico. Las fases a desarrollar son las

siguientes:

1. Fase de Filtrado, la cual consiste en

remoción de sólidos suspendidos.

2. Fase del proceso de

Transesterificación, se divide en tres

partes: determinación de la acidez,

preparación de los reactivos y la

muestra, y la utilización del Procesador

Ultrasónico, cuyo equipo fue

proporcionado al programa académico

de Ingeniería en Energía de la

Universidad Politécnica de Altamira por

el Consejo Tamaulipeco de Ciencia y

Tecnología (COTACYT).

3. Fase de lavado, es el sometimiento del

biodiesel para la remoción de residuos.

Resultados

La producción de biodiesel se obtuvo a partir de

RAUC, con el fin de reducir el daño que este

causa al medio ambiente y conocer la

factibilidad de este resudio como materia prima

para lo producción de un biocombustible. Para

la obtención de biodiesel se trabajo en tres

fases: la primera el filtrado del aceite, la

segunda el desarrollo del proceso de

transesterificación utilizado el procesador

ultrasónico y la tercera el lavado del biodiesel

obtenido.

30






ISSN-2410-3950


Fase de Filtrado

Con el fin de elimar los sólidos suspendidos,

producto de los restos de alimentos, del RAUC

recolectado, se diseño un dispositivo de filtrado

mecanico.

Para verificar los resultados se midieron

parámetros físico – químicos a la muestra antes

del filtrado y después del filtrado. Los cuales

fueron el pH, que mide el grado de acidez de

una solución, se basa en la cantidad de iones de

hidrógeno que se encuentran en una solución

dada pH= -log [H+]. Cuya escala es logarítmica

va desde el 0 hasta el 14. El valor de medición

Turbidez, es un parámetro determinante en

muchas aplicaciones. Esto es cierto para el

procesamiento del agua potable y las aguas

residuales, para la elaboración de bebidas y en

el campo químico desde la galvanización hasta

la industria petroquímica. Al aumentar el

número de las partículas aumenta el grado de

turbidez también a simple vista. La forma, las

dimensiones y la composición de las partículas

influyen en el grado de turbidez. Los aparatos

de medición que aplican este método se

denominan nefelómetros. Los turbidímetros o

nefelómetros se diferencian por la fuente de luz

que utilizan. Las unidades en las que se mide la

turbidez son: Unidades Nefelométricas de

Turbidez (NTU). Otros parámetros más

subjetivos fueron el color y el olor de la

muestra.

En la Figura 1, se puede observar el

procedimiento de filtración, obteniedose las

muestras excedentes de sólidos. El dispositivo

para el filtrado, fue construido con un tanque de

un galón, mangueras trasparentes y un filtro de

gasolina que se utiliza en automóviles.

Se construyo dicho dispositivo y se

procedió a filtrar el RAUC minimizando al

máximo los restos de comida que se pudieran

encontrar.

Figura 1 Proceso de Filtración del RAUC.

En la Figura 2, se muestra la realización

de pruebas para su determinación de turbidez.

Figura 2 Pruebas de Turbidez al RAUC filtrado.

En base a esto, en la Tabla 1, se muestran

los resultados de la muestra antes del filtrado y

después del filtrado, donde se pudo obtener una

direfencia en cuanto a valores iniciales que

presento la muestra.

Parámetros Antes del

filtrado

Despues del

filtrado

Olor Quemado Aceite

Color Rojo oscuro Rojo más

Claro

pH 5 6 Tabla 1 Resultados de los parámetros de la muestra

Fase del proceso de Transesterificación

El proceso de trasnesterificación se lleva a cabo

en tres etepas.

1. Determinación de acidez del aceite ya

filtrado.

31






ISSN-2410-3950


Se disolvieron 30 ml de aceite de cocina

usa en 300 ml de alcohol isipropílico a baño

maría por 15 minutos, para obtener 3 muestras

de 110 ml cada una, a las que se les agrego 5

gotas de fenolftaleína por igual. Dichas

muestras se titularon con Hidróxido de Sodio

(NaOH) al 1%. Los mililitros utilizados para

cada muestra se promedian para calcular los

gramos de catalizador a utilizar para un litro de

aceite usado a procesar, de acuerdo a la formula

(1).

(1)

La acidez promedio que se obtuvo fue de

0.6, por lo que para cada litro de aceite usado

de cocina a procesar se utilizaron 4.1 gr de

catalizador, dicho catalizar fue el Hidróxido de

Potasio (KOH). Puesto que de los catalizadores

básicos homogéneos, el NaOH y el KOH

(Túqueres, 2015), este presenta ciertas ventajas

como lo son que la glicerina que queda del

proceso es mucho menos tóxica que cuando se

utiliza el NaOH (Abad et al., 2014).

Preparación de metoxido para

transesterifcación

Se utiliza el 12% del volumen de aceite a

procesar en metanol. El metanol y el etanol son

los alcoholes comúnmente utilizados para la

producción de bidiesel, otros alcoholes como

propanol, isopropanol, butanol y pentanol

pueden ser utilizados, pero estos son mucho

más sensibles a la contaminación con agua, es

decir, que la presencia de agua en mínimas

cantidades impide la reacción (Túqueres, 2015).

Es por ello, que para este trabajo se utiliza

el metanol como catalizador por ser el más

reactivo. Se procesan un promedio de 4 litros de

aceite de cocina usado, por lo que se utilizan

480 ml de metanol y 16.4 gr de KOH, los

cuales se disuelven calentando a reflujo y

agitación constante por 10 minutos para obtener

el metoxido.

Transesterificación en el Procesador

Ultrasónico

Equipo que fue facilitado por el Consejo

Tamaulipeco de Ciencia y Tecnología

(COTACYT), a la Universidad Politécnica de

Altamira (UPALT). La característica principal

de este equipo son las vibraciones sónicas, las

cuales desarrollan la integración y separación

de las sustancias para la obtención de biodiesel.

Sin embargo, al no contar con listado del punto

óptimo, se llevo a cabo la experimentación para

determinar dicho punto, con el fin de eficientar

el proceso de transesterificación. (Figura 3a).

Para ello, se prepararon 60 muestras con

100 ml de aceite de cocina usado y 12 ml de

metoxido cada una las cuales se calientan a 40

°C antes de introducirlas unas por una al

procesador ultrasónico, las cuales se procesaron

a 5, 10, 15 y 20 segundos en amplitudes del 25,

30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 y 100%

respectivamente y a un ciclo en todos los casos.

Después de procesarse, cada muestra es vaciada

a probetas de 100 ml, donde se dejan reposar

por 24 horas. Se nota que la reacción de

transesterificación no se completa, a amplitudes

menores de 40% por lo que se procede a

realizar desde la titulación hasta la preparación

de muestras con otros 4 litros de aceite de

cocina usado, los que procesa nuevamente pero

en los rangos de 50 a 100% de amplitud en

tiempos de 10 a 60 segundos, en intervalos de

10 en cada caso (Figura 3b).

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(a) (b)

Figura 3 Procesador Ultrasonico, COTACYT –UPALT.

Fase de lavado

Después de dejarlo reposar 24 horas se observa

en las probetas dos capas, la glicerina abajo y el

biodiesel arriba (Figura 4), las cuales son

separadas y el biodiesel sometido a un lavado

con agua destilada.

Figura 4 Capas de biodiesel y glicerina.

Analisis de Resultados

En la primera parte del proyecto, se nota que a

bajas amplitudes y poco tiempo, la reación de

trasterificación no se completa, observando 3

capas en las muetras procesadas: aceite,

biodiesel y glicerina. En la segunda prte, donde

se proceso a mayores aplitudes y tiempos, todas

las muetras completaron la reacción.

En el Grafico 1, se observa la relación de

mililitros promedio en el rango de tiempo

obtenidos de biodiesel con respecto a la

amplitud en que se procesaron.

Se observa que a los tiempos de 20 y 30

segundos la producción de biodiesel es la

máxima de los ensayos.

Grafico 1 Biodiesel obtenido.

Sin embargo, se debe tomar en cuenta que

en la transesterificación no solo se obtiene

biodiesel, sino también glicerina; por lo tanto,

contar con una cantidad inferior de glicerina

después de la conversión nos puede significar

una reacción inconclusa; además de que a 20 y

30 segundos se precalienta antes de procesar,

caso que no ocurre a los 60 segundos, dado que

aún con la amplitud más baja, la temperatura se

eleva 20°C en este rango de tiempo (Grafico 2)

y aumenta de manera proporcional con forme la

amplitud se incrementa de manera proporcional

con forme la amplitud se incrementa.

Teniendo en cuenta que la temperatura

idónea para que se lleve a cabo la

transterificación es alrededor de los 64° C, por

lo tanto se determina que en 60 segundos y

100% de amplitud son las variables más

idóneas para procesar, por esta razón se

disminuyó la temperatura a la que las muestras

entraban al procesador, reduciendo así los

tiempos y haciendo más eficiente el proceso.

33






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Grafico 2 Medición de temperatura.

Aunque a 60 segundos no se obtuvo la

mayor cantidad de biodiesel, es la más óptima,

ya que como se observa de 10 a 40 segundos

tenemos la mayor producción de biodiesel y a

50 segundos decae, sin embargo, a 60 segundos

se incrementa nuevamente y como se había

mencionado con anterioridad, el hecho de

contar con una poca cantidad de glicerina

después de la reacción de transesterificación no

siempre nos refleja una buena reacción sino una

reacción inconclusa.

Por lo tanto, una mayor cantidad de

glicerina asegura que el triglicérido original se

transformo paulatinamente en diglicérido, y

monoglicérido, para formar el éster metílico de

ácido graso conocido como biodiesel. Es así

que se determina que 60 segundos, es el rango

óptimo para la trasformación de biodiesel de

acuerdo a los ensayos realizados en este trabajo.

Agradecimiento

Se agradece al COTACYT por el apoyo con el

equipo Procesador Ultrasonico, material clave

para la realización de esta investigación. De

igual manera se agradece las antenciones y las

facilidades prestadas en el Almacen y el

Laboratorio de Energía Renovable acargo de la

Ing. Elida Liliana Ríos Vázquez.

Conclusiones

En la presente investigación, se determinó en

base a experimentación el punto óptimo en el

proceso de obtención de un biocombustible en

el equipo Procesador Ultrasonico. Se demostró

que en el rango de 30 segundos, de 50 a 100%

de amplitud y un ciclo, se obtuvo el 99% del

volumen procesado, sin embargo, a 60

segundos con las mismas condiciones se obtuvo

el 95% del volumen procesado, teniendo la

ventaja de no precalentar la muestra antes de

procesarlo, determinándolo como el punto

óptimo puesto que al no precalentar, se gasta

menos electricidad y esto fomenta la

sustentabilidad del proceso además de estar

utilizando un residuo como materia prima del

biocombustible.

Se demuestra la necesidad de determinar

las variables óptimas para eficientar el proceso

de obtención de un biocombustible, en este caso

la transesterificación para la obtención de

biodiesel; el procesador ultrasónico es un

equipo que facilita la obtención de biodiesel a

partir del residuo. Se determinó, que a partir de

los ensayos realizados, que a 60 segundos,

100% de amplitud y un ciclo es el punto

optimo, ya que del volumen procesado no más

del 7% se trasformó en glicerina y lo restante en

biodiesel. Además se observó que durante el

proceso de transesterificación en el procesador

ultrasónico la temperatura se eleva, por lo cual

ya no es necesario calentar previamente la

mezcla aceite-metoxido antes de procesar,

reduciendo el tiempo de procesamiento y

aumentando la eficiencia del proceso de esta

manera, ya que se esta utilizando un residuo

perjudicial al medio ambiente.

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Es por ello, que el punto óptimo en el

proceso utilizando el procesador ultrasónico

minimiza el tiempo y gasto de consumibles

para el procesamiento del residuo y la

conversión del mismo, impulsando así de una

manera sustentable la obtención del

biocombustible.

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36



Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San

Bartolo Cuautlalpan

ESPINAL-ARELLANO, Juan*†, OLVERA-GARCÍA, Omar, HERNANDEZ-GÓMEZ, Víctor y

MORILLÓN-GÁLVEZ, David.

Universidad Nacional Autónoma de México, Cd. Universitaria, Ciudad de México, CDMX, México


___________________________________________________________________________________ Resumen

El artículo describe la metodología y los resultados

obtenidos a partir de pruebas experimentales de

producción de biogás a partir de las excretas del

ganado de un rancho ubicado en San Bartolo

Cuautlalpan, municipio de Zumpango. Se incluye la

puesta en marcha de los biodigestores, una

descripción de la instrumentación empleada en la

toma de los datos, los resultados obtenidos en las

pruebas experimentales realizadas con desechos

orgánicos de ganado bovino y porcino, en diferentes

relaciones de materia orgánica – agua, durante el

periodo comprendido entre marzo y agosto de 2016

y la estimación de la producción total de biogás y

metano que se puede obtener con los desechos de

los animales del rancho con su equivalente en kWh.

Materia orgánica, biodigestor, biogás y metano

Abstract

The article describes the methodology and results

obtained from experimental tests of biogas

production from livestock excreta from a ranch

located in San Bartolo Cuautlalpan, municipality of

Zumpango. the implementation of biodigesters, a

description of the instrumentation used in making

data, the results obtained in the experimental tests

with organic waste from cattle and pigs in different

ratios of organic matter is included - water for the

period between March and August 2016 and the

estimated total production of biogas and methane

that can be obtained with animal waste ranch with

its equivalent in KWH.

Organic matter, digester, biogas and methane

Citación: ESPINAL-ARELLANO, Juan, OLVERA-GARCÍA, Omar, HERNANDEZ-GÓMEZ, Víctor y MORILLÓN-

GÁLVEZ, David. Potencial de generación de biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San Bartolo Cuautlalpan.

Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 36-52




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ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos los derechos reservados ESPINAL-ARELLANO, Juan, OLVERA-GARCÍA, Omar, HERNANDEZ-

GÓMEZ, Víctor y MORILLÓN-GÁLVEZ, David. Potencial de generación de

biogás de un rancho ganadero en la comunidad de San Bartolo Cuautlalpan.

Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

Los ranchos dedicados a la ganadería y a la

siembra, emplean los desechos orgánicos del

ganado como abono para sus tierras, esto lo

hacen depositando dicha materia orgánica

directamente sobre la tierra, lo que ocasiona

que el viento arrastre parte de esos desechos y

emita mal olor en las zonas cercanas. Al ser un

rancho ganadero, la producción de desechos

orgánicos es más alta de la que se puede

emplear como abono, por lo cual, la mayoría lo

almacena a cielo abierto hasta su utilización

generando también problemas de

contaminación al medio ambiente. Esta

problemática lleva a la necesidad de buscar

alternativas para su correcto manejo y también

para su aprovechamiento, los biodigestores son

dispositivos que pueden solventar esta

problemática, dado que además de recuperar el

biogás obtenido por la descomposición de la

materia orgánica, el residuo resultante sirve

como un excelente fertilizante. El biogás que se

produce está compuesto por una mezcla de

gases tales como metano, dióxido de carbono,

ácido sulfhídrico, hidrógeno y nitrógeno. Sin

embargo, el metano representa entre un 50 –

60% del biogás, mientras el dióxido de carbono

equivale a un 30 – 40%, de la mezcla. Según el

análisis sectorial de desechos sólidos en la Zona

Metropolitana del Valle de México,

aproximadamente el 53% de los desechos

generados pueden emplearse para la producción

de biogás en México y la SEDESOL reporta

25,000 ton/día que se depositan en tiraderos a

cielo abierto, barrancas o bien, en cualquier otro

sitio sin control (incluye sitios clandestinos).

En la comunidad de San Bartolo

Cuautlalpan, Zumpango, Estado de México, se

encuentra ubicado el rancho Los dos hermanos,

esta propiedad se dedica principalmente a la

siembra de maíz y obtiene ingresos adicionales

a través de la compra, cría y venta de ganado

bovino y porcino.

En el rancho Los dos hermanos también

se crían ganado ovino y cunícola, así como aves

para autoconsumo.

La demanda de energía eléctrica del

rancho es abastecido a través de la Comisión

Federal de Electricidad (CFE) y es utilizada

para realizar actividades como la preparación

de alimentos y el alumbrado, ya que las labores

de ganadería y agricultura se realizan de manera

manual y con ayuda de un tractor, de modo que

la demanda eléctrica del rancho es de

aproximadamente 80 kWh bimestrales.

Este proyecto consiste en analizar la

factibilidad de emplear los desechos orgánicos

del rancho, para generar la energía eléctrica

requerida para la preparación de alimentos e

iluminación del mismo, y abonar sus cultivos

con el abono generado por el biodigestor, lo

cual provocaría un ahorro en la facturación

energética y la reducción de la contaminación

ambiental del lugar. Para ello se le solicitó al

Laboratorio de Investigación en Energías

Renovables (LIER) de la Facultad de Estudios

Superiores Cuautitlán, que realizara el estudio

correspondiente, ya que cuenta con 12

biodigestores del tipo discontinuo, con

capacidad de 33 litros cada uno, para llevar a

cabo pruebas simultáneas con diferentes

sustratos.

Antecedentes

En la actualidad se han realizado estudios para

observar el comportamiento de la generación de

biogás bajo distintas características como:

Amarely Santana y B. Pound [1]

observaron que la variación en la alimentación

de dos novillos (hierba/melaza o caña de azúcar

picada) puede influenciar en la generación de

metano.

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ISSN-2410-3950





Encontraron que la dieta a base de

melaza/hierba produce mayor cantidad de

metano y sugieren que esto es debido a que se

tiene una mayor relación carbono - nitrógeno

que la dieta a base de caña de azúcar.

San Thy y et al [2] observaron la

producción de biogás, mediante la

descomposición de materia fecal de cerdo, con

tiempos de retención de 10,

20 o 30 días en biodigestores continuos de 510

litros. En el primer experimento, la cantidad de

materia fecal fue de 5.1 kg/día, mezclado con

46, 20 o 12 litros de agua con tiempos de

retención de 10, 20 o 30 días respectivamente.

En un segundo experimento las proporciones de

materia fecal y agua se mantuvieron constantes

para dar un contenido de sólidos totales de 60

g/litro. Obtuvieron una producción de 1.04,

1.20 y 1.12 m3 de biogás por un m

3 de efluente

y que el tiempo de retención óptimo está entre

10 y 20 días.

Chae y et al [3] observaron el

comportamiento de la generación de biogás al

variar la temperatura del estierco de cerdo en el

proceso de degradación. Tomaron valores de 25

°C, 30 °C y 35 °C con cuatro cargas de

alimentación al 5 %, 10 %, 20 % y 40 %.

Observaron una reducción en la concentración

de metano del 3% entre el de la temperatura de

35 °C y la de 30 °C y una diferencia del 17.4 %

entre la de 35 °C y el de 25 °C. Obtuvieron

valores de 327, 389 y 403 ml de CH4/g de

sustrato respectivamente.

Stephanie y et al [4] al estudiar siete

biodigestores de bajo costo en Costa Rica

empleando como sustrato al agua residual de

los animales, encontraron que se podía obtener

biogás con una concentración del 66% de

metano mejorando la calidad de las aguas

residuales para ganado.

Atem y et al [5] llenó 20 biodigestores

discontinuos de PET con capacidad de 4 litros

con residuos de tomate de la industria local y

fluido ruminal como inóculo. Después de

mantener la temperatura constante durante 118

días inició la medición del biogás generado

durante otros 34 días obteniendo 0.10 m3 de

biogás por kg con un 50% de metano.

Ivet Ferrer y et al [6] estudiaron la

producción de biogás en digestores domésticos

ubicados a gran altura, operando bajo

condiciones psicrofílicas. Utilizaron un

volumen útil de estiércol de vaca entre 2.4 m3 y

7.5 m3 en pruebas de 60 y 90 días. Obtuvieron

temperaturas entre 20°C y 25°C y una

producción de 0.35 m3 por kg, con una

concentración del 65% de CH4.

Sung-Mok y et al [7] encontraron que se

incrementaba la generación de biogás, a partir

de la fermentación de Laminaria japónica, al

emplear un cultivo mixto de Clostridium

butyricum y Erwinia tasmaniensis, llegando a

tener niveles de hidrógeno y metano de

327,47% y 354,99% respectivamente.

M.S. Ak y et al [8] realizaron un estudio

en el cual duplicaron la producción de biogás

que se genera por la degradación del lodo

activado producido durante el tratamiento

biológico de residuos líquidos y sólidos,

empleando al ozono (1.33 mg O3/g).

González y et al [9] realizaron un estudio

para determinar la capacidad de una planta de

generación de energía eléctrica empleando

metano generado por la degradación de

residuos de cerdo y una planta fotovoltaica.

Realizaron experimentos con tres biodigestores

continuos alimentándolos con 150, 200 y 250

ml de sustrato al día, durante 40, 30 y 24 días

respectivamente. Encontraron una producción

máxima de 22.53 m3 de biogás por un m

3 de

sustrato, con un contenido de metano del 75%.

39



ISSN-2410-3950





Iván Vera y et al [10] estimaron la

cantidad de biogás obtenible a partir de las

excretas de ganado bovino y porcino de la

región de Ciénega de Chapala, Michoacán.

Basándose en censos del INEGI y valores

promedio calcularon la cantidad total de

estiércol y de biogás obtenibles, así como la

energía eléctrica generable a partir de la misma.

Los resultados suponen un ahorro de energía

eléctrica del 4.3%, equivalente para 2013 a

$MX 18,300,000 tomando como base un costo

de $MX 2.236/kWh.

Iván Vera y et al [11] estimaron la

cantidad de biogás obtenible a partir de la

descomposición anaeróbica de residuos sólidos

urbanos que permita generar energía eléctrica

para la región de Ciénega de Chapala,

Michoacán.

Jesús R. González y Luis R. González

[12] realizaron pruebas de producción de biogás

con diversos sustratos, cuyos resultados resaltan

que los desechos orgánicos del conejo alcanzan

concentraciones de metano superiores al 70%,

en tanto que la poda de pasto y desechos de

comida la producción fue mínima.

Adicionalmente, los investigadores señalan que

los desechos de conejo lograron producir 0.708

litros de biogás por cada kilogramo de

excremento, en tanto que los desechos de vaca

alcanzaron una producción de 0.26 L/kg, con

porcentajes de metano similares a los

alcanzados por el biogás producido por los

desechos cunícolas.

Peyman Abdeshahian y et al [13]

determinaron que en el año 2012 el potencial de

generación de biogás a partir de estiércol,

sangre y contenido de rumen obtenidos de

granjas y mataderos de Malasia era de 4589.49

millones de metros cúbicos por año, con lo cual

se podría generar 8.27 X 109 kWh por año.

Basak K. Taseli y Birol Kilkis [14]

propusieron dos escenarios (uno de ellos con

tres niveles) para generar energía eléctrica y

reducir las desventajas ambientales de un

hospital universitario con 900 camas. Con la

intención de obtener suficiente biogás se

propuso emplear los desechos del hospital y

crear un establo para 6000 cabezas de ganado

lechero; lo cual permitiría que los alumnos del

departamento de agricultura cuenten con una

granja didáctica. El escenario base contempla

tres máquinas para trigeneración cuya

capacidad combinada sería de 5.65 MW.

E. Chan y et al [15] realizaron una

investigación cuyos resultados indican que el

biogás producido a partir del estiércol líquido

de cerdo en México tiene potencial para

producir 21 X 1015 Joules anualmente. Se

agregó pasto elefante (pennisetum purureum)

para mejorar el rendimiento de las excretas de

cerdo. Los investigadores sostienen que el

precio de la energía eléctrica generada in – situ

sería de $US 0.129/kWh.

W. Uddin y et al [16] estimaron que el

estiércol ganadero de Pakistán puede producir

35.625 millones de kWh diarios, con lo cual se

podría superar la crisis energética de dicho país,

en el cual la indisponibilidad de energía

eléctrica puede durar entre 14 y 20 horas al día.

El Consejo Pakistaní de Tecnologías

Renovables, PCRET por sus siglas en inglés

(Pakistan Council of Renewable Technologies),

ya ha instalado 4109 plantas de biogás a lo

largo del país, con lo cual se logran ahorros

mensuales promedio de 37.925 millones de

rupias pakistaníes en términos de queroseno,

madera, gas l.p. y biofertilizante.

M. Ríos y M. Kaltschmitt [17] sugieren

que México tiene un potencial considerable

para usar biogás de desechos orgánicos como

una fuente renovable para generar electricidad.

40



ISSN-2410-3950





Los resultados de su investigación

muestran un potencial teórico promedio de

167.9 TWh/año, un potencial técnico promedio

de 10.2 TWh/año y un potencial económico

promedio de 6.4 TWh/año.

Bundhoo y et al [18] realizaron una

investigación para determinar el potencial

energético de la República de Mauricio a partir

de la descomposición anaeróbica de biomasa y

distintos desechos disponibles en la ya

mencionada isla. Sus resultados indican que la

energía neta disponible alcanza los 4685

TJ/año, de los cuales 2174 TJ/año corresponden

a energía eléctrica y 2511 TJ/año a energía

térmica, representando 12.6% del consumo

energético final de la República de Mauricio.

Los residuos de la caña de azúcar (3790 TJ/año)

son la principal fuente de biogás a larga escala

disponibles en dicho país.

Piwowar y et al [19] llevaron a cabo una

investigación para mostrar el desarrollo actual

del mercado de biogás agrícola en Polonia, en

la cual indican que de 2011 a 2014, la

producción de biogás aumentó 127.39 millones

de metros cúbicos. Debido a la gran área de

suelo agrícola, la relativamente alta población

de ganado bovino y porcino y a la bien

desarrollada industria alimenticia de Polonia, su

mayor fuente de energía renovable es la

biomasa agrícola. Actualmente, la capacidad

total de las plantas de biogás en Polonia es

244,156,466 m3/año.

Silva dos Santos y et al [20] presentaron

un método para analizar la viabilidad

económica y energética de la generación de

energía mediante biogás producido en plantas

anaeróbicas de tratamiento de aguas residuales

y desechos sólidos municipales en Brasil.

Los resultados indicaron viabilidad

económica únicamente para ciudades cuya

población supere los 300,000 habitantes y que

el potencial energético pueda suministrar

alrededor del 0.25% de los residuos fósiles, de

acuerdo con el Ministerio Brasileño de Ciencia

y Tecnología. Este potencial energético

representa toda la energía que pueda ser

producida a partir de desechos en Brasil para

2020.

A. Ware y N. Power [21] evaluaron el

potencial de recuperación de energía de los

subproductos orgánicos de un matadero de

ganado bovino en Irlanda. Se analizó el

potencial de producción de metano de distintos

fluidos, así como el de la mezcla de ellos y se

determinó que es viable combinar los desechos,

ya que el rendimiento de metano no disminuye.

Adicionalmente, la mezcla de desechos tiene

potencial de recuperación de energía suficiente

para subsidiar al 100% la demanda energética

del matadero.

E. U. Khan y A. R. Martin [22] evaluaron

el estatus actual de la tecnología de

biodigestores en áreas rurales de Bangladesh, la

cual abarca 75% de la población. Debido a la

falta de conocimiento técnico, los altos costos

de instalación y operación, disponibilidad de

materia prima y las limitadas aplicaciones

finales, sólo se obtiene el 1% del potencial total

de biogás, estimado en 14.5 millones de

m3/año.

Análisis de antecedentes

La generación de electricidad a partir de biogás

es considerado alrededor del mundo como una

solución para satisfacer las necesidades

energéticas, así como para generar electricidad

limpia, ya que el uso del biogás como

combustible no da lugar a la liberación de

dióxido de carbono a la atmósfera.

41



ISSN-2410-3950





Los países con economías emergentes

poseen una gran cantidad de desechos

orgánicos procedentes de distintas fuentes, sin

embargo, no cuentan con la infraestructura

necesaria para explotar al máximo su potencial

energético, en gran medida debido a que los

proyectos de esta índole suelen ser planeados a

gran escala y a que los estudios realizados

contemplan regiones considerablemente

extensas o sumamente pobladas. No obstante,

se debe tomar en cuenta que en muchas

ocasiones los desechos orgánicos no se

encuentran distribuidos uniformemente a lo

largo y ancho de las áreas consideradas, lo cual

dificulta las labores de recolección y

tratamiento de los desechos y puede causar la

exclusión de cierta cantidad de materia prima.

Si bien los estudios realizados a gran escala

muestran resultados alentadores, los pequeños

proyectos para aprovechar el biogás y generar

electricidad con él no han sido contemplados

como una alternativa para el autoabasto

energético.

Procedimiento experimental

El proyecto contempló el empleo de los

biodigestores del LIER, por lo cual se les dio

mantenimiento para verificar el correcto

funcionamiento de los termopares, el de las

válvulas de extracción del biogás y el sellado de

los biodigestores.

Con el fin de determinar el rango

adecuado de dilución para las mezclas del

sustrato, se realizaron pruebas de masa seca y

masa volátil de los excrementos de vaca y

cerdo. Para ello se utilizó la metodología

descrita por Jesús González y Luis González

[12], la cual consiste en hornear las muestras de

excremento durante 48 horas a 105 °C para

hallar la masa seca, y posteriormente incinerar

tales muestras durante 6 horas a 550 °C para

obtener la masa volátil. En la figura 1 se ilustra

el proceso de obtención de masa seca y masa

volátil.

Figura 1 Materia orgánica antes y después del proceso.

La masa seca corresponde a la materia

libre de humedad que compone el excremento,

y se calcula empleando la ecuación (1):

Donde:

= masa seca, g.

= masa hidratada, g.

= masa deshidratada, g.

La masa volátil es el porcentaje de

materia orgánica presente en la biomasa, e

indica qué fracción de la misma ha de producir

biogás, de modo que un porcentaje alto es

deseable. La ecuación (2) permite calcular la

masa volátil.

42



ISSN-2410-3950





Donde:

= masa volátil, g.

= masa deshidratada, g.

= masa incinerada, g.

Tras determinar las concentraciones de

los sustratos, se vació el agua y materia

orgánica en cada biodigestor, revolviendo

ambas partes hasta incorporarse

homogéneamente. Tras culminar dicha fase se

sellaron correctamente los biodigestores y se

verificó la ausencia de fugas. En la figura 2 se

aprecia el sustrato formado por agua y

excremento de vaca dentro del biodigestor

durante el llenado del mismo.

Figura 2 Sustrato formado por agua y excremento de

vaca.

Durante las primeras 15 semanas de la

fase experimental, se midió diariamente la

presión de biogás generado y la temperatura del

sustrato, mientras que el porcentaje de metano

presente en el biogás y el pH del sustrato se

cuantificaron semanalmente. Las primeras

mediciones de porcentaje de metano en el

biogás se realizaron entre las semanas 3 y 4, a

partir de las cuales se tuvo suficiente biogás

para realizar la prueba correspondiente.

Tras las 15 primeras semanas del

experimento, la presión del biogás y la

temperatura dentro del biodigestor se midieron

cada tercer día, en tanto que los otros

parámetros se midieron normalmente.

La medición de la temperatura del

sustrato se realizó con ayuda de un termómetro

digital conectado a un termopar que forma parte

de la tapa del biodigestor y cuyo extremo está

en contacto con la mezcla de agua y materia

orgánica. Por su parte, la presión dentro de los

biodigestores se midió empleando un

manómetro conectado a la válvula superior de

los biodigestores. Debido a que los

biodigestores tienen una resistencia máxima a

presiones internas de 7 psi y no cuentan con

válvulas de alivio de presión, siempre que la

presión interna de un biodigestor sobrepasó los

6 psi se quemó cierta cantidad de biogás, de

modo que se eliminara el riesgo de una

explosión por exceso de presión. La figura 3

muestra la quema del biogás excedente.

Figura 3 Quema de biogás excedente.

43



ISSN-2410-3950





La medición del pH se realizó mediante la

utilización de tiras reactivas, las cuales cambian

de color tras sumergirse dentro del sustrato,

permitiendo así su cotejo con una carta

comparativa que indica el pH de la sustancia

analizada.

Para obtener una muestra del sustrato

dentro del biodigestor se abrió la válvula

inferior del biodigestor y se permitió la salida

de una cantidad mínima de la mezcla. Para

cuantificar el metano presente en el biogás se

empleó un analizador de gases Madur Ga-21

plus, cuya pantalla se presenta en la figura 4.

Durante la totalidad del experimento se verificó

regularmente la ausencia de fugas de biogás.

Figura 4 Pantalla del analizador de gases durante una

medición de componentes del biogás.

Para cuantificar el biogás producido

dentro de cada biodigestor se empleó el método

desarrollado por Jesús R. González y Luis R.

González [12], el cual consistente en relacionar

variables tales como la presión acumulada de

biogás dentro de cada biodigestor durante cierto

periodo, así como el porcentaje de metano

alcanzado en el mismo lapso, para así

determinar la masa de biogás contenida dentro

de cada biodigestor y posteriormente hallar los

litros de biogás producidos semanalmente.

Tras cuantificar la presión acumulativa

semanal y su respectivo porcentaje de metano,

el siguiente paso del desarrollo experimental,

consiste en determinar la masa molar del

biogás, la cual equivale a la suma de la masa

molar de cada compuesto que lo integra. Sin

embargo, debido a que los principales

componentes del biogás son metano y dióxido

de carbono, en los cálculos siguientes se

contemplará que la suma de la masa molar de

dichos compuestos equivale a la totalidad de la

masa molar del biogás, lo cual se expresa

mediante la ecuación (3):

Donde:

= masa molar del biogás, kg/mol

= masa molar del metano, kg/mol

= masa molar del dióxido de carbono,

kg/mol

Dado que la masa molar del metano y

dióxido de carbono son 0.01604 kg/mol y

0.04401 kg/mol, respectivamente, la masa

molar de tales compuestos para una

concentración particular está dada por las

ecuaciones (4) y (5):

Donde:

= peso molecular del metano,

kg/mol

= porcentaje de metano presente en la

muestra, %

44



ISSN-2410-3950





= peso molecular del dióxido de

carbono, kg/mol

= porcentaje de metano presente en la

muestra, %

Resultados y análisis

Con los resultados obtenidos se determinaron

tanto la masa seca como la masa volátil, y

considerando dichas variables se crearon dos

diluciones distintas para excrementos de vaca y

tres para desechos de cerdo. Los resultados de

las pruebas de masa seca y volátil se presentan

en la tabla 1 y los sustratos empleados durante

las pruebas experimentales se señalan en la

tabla 2.

Tipo de

desecho

Mas

a

hidr

atad

a [g]

Masa

deshidr

atada

[g]

Masa

incinera

da [g]

Masa

seca

[%]

Masa

volátil

[%]

Excrem

ento de

cerdo

144.

2

32.4 3.1 22.47 90.43

Excrem

ento de

vaca

283 42.8 12.5 15.12 70.79

Tabla 1 Resultados de las pruebas de masa seca y volátil.

Biodigestor

no.

Tipo de

desecho

Porcentaje

de materia

[%]

Porcentaje

de agua

[%]

1 Excremento

de cerdo

50 50

2 Excremento

de cerdo

66.67 33.33

3 Excremento

de cerdo

33.33 66.67

4 Excremento

de vaca

50 50

5 Excremento

de vaca

25 75

Tabla 2 Mezclas de los sustratos empleados durante las

pruebas experimentales.

La figura 5 muestra la gráfica

comparativa de las presiones acumuladas por

semana de las muestras más representativas de

biogás producido por vaca y cerdo.

Figura 5 Presiones acumuladas por semana.

Se puede apreciar que durante las

primeras cuatro semanas las excretas de cerdo

produjeron una cantidad mayor de biogás que

las excretas de vaca, sin embargo, estas últimas

Produjeron una cantidad mucho mayor

durante las semanas posteriores, e incluso

durante más tiempo. Cabe mencionar que las

excretas de cerdo sólo produjeron biogás

durante 10 semanas, alcanzando su mayor

producción en la tercera semana, mientras que

las excretas de vaca alcanzaron su mayor

producción de biogás en la semana 8 y al

momento de la captura de datos para el presente

artículo (semana 25) aún no finalizaba su

producción.

La posible causa de la gran diferencia en

la duración de la producción de biogás de

ambas muestras es la solubilidad de las

excretas, pues mientras los desechos ovinos

formaron una mezcla con escaza presencia de

partículas no disueltas, los desechos porcinos

continuaron presentando una elevada cantidad

de gránulos tras mezclarse con agua, los cuales

se sedimentaron al fondo del biodigestor. Esta

situación podría haber causado que una gran

parte de la materia no se degradara o lo hiciera

de manera sumamente lenta.

0

2

4

6

8

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Pre

sió

n [

psi

]

Semana

Producción semanal de biogás

Bio. 3 (Cerdo)

Bio. 4 (Vaca)

45



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La figura 6 presenta el sustrato del

biodigestor 3 antes y después de vaciarlo tras

finalizar su producción de biogás, el cual

contenía una mezcla compuesta por 33.33% de

excremento de cerdo y 66.66% de agua.

Además de la espuma presente en la superficie

de la mezcla, se puede apreciar que ningún

gránulo es visible en la misma.

Figura 6 Sustrato del biodigestor 3.

En la figura 5 también se puede observar

que durante las semanas 9 y 10, la producción

de biogás en el biodigestor 4 disminuyó

drásticamente, sin embargo, en la semana 11

volvió a incrementarse, lo anterior podría ser

atribuible a las variaciones de temperatura que

tuvieron lugar durante dicho periodo y que se

muestran en la figura 7.

Figura 7 Efecto de la temperatura en la producción de

biogás.

Se observa que al principio de la semana

8 hubo una disminución en la temperatura

ambiental de alrededor de 3.5 °C en dos días,

mientras que la temperatura del sustrato

disminuyó 4 °C en el mismo periodo. Estos

cambios en la temperatura se pueden considerar

drásticos, si se toma en cuenta que

regularmente la temperatura cambia 1.8 °C en

lapsos de tiempo similares. Vale la pena

mencionar que en semanas como la 16, 18, 21 y

24 se aprecian un ligero aumento en la

producción de biogás con respecto a las

semanas inmediatas anteriores, dichos

fenómenos coinciden en tiempo con

incrementos en la temperatura ambiente e

interna del biodigestor.

El pH del sustrato se midió semanalmente

y cuyos resultados para los biodigestores 3 y 4

se ilustran en la figura 8.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

0 10 0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30

1 32 60 91 121 152

Semana

Pre

sió

n [

psi

]

Tem

per

atu

ra a

mb

ien

te [

°C]

Día

Efecto de la temperatura en la producción de biogás

Temperatura ambiente

Temperatura bio. 4

Bio. 4

46



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Figura 8 pH de los sustratos.

El pH del sustrato de excretas de cerdo y

agua fue predominantemente neutro, aunque

con cierta tendencia a ser ácido, ya que en la

escala del pH un valor de 7 corresponde a una

sustancia neutra, valores mayores a 7 indican

pH alcalinos y menores de 7 revelan que la

sustancia analizada es ácida. Por su parte, el pH

del sustrato de excretas de vaca y agua es

predominantemente alcalino, ya que desde la

semana 9 y hasta la 25 se encontró con valores

mayores a 7, obteniendo en dos ocasiones un

pH de 10 y en tres ocasiones su pH fue 9.

De las 22 mediciones, sólo tres arrojaron

un pH de 7 y tan sólo dos veces, en las semanas

cinco y seis, el pH fue de 6. Estos resultados

sugieren que el pH no fue un factor decisivo en

la cantidad de biogás producido, pues en las

semanas 11 y 12 se tuvo el pH más alcalino,

pero la cantidad de biogás producido no fue el

mayor. En cuanto a la calidad del biogás, es

deseable que este cuente con el mayor

porcentaje de metano posible, pues tal

componente es el encargado de arder durante la

quema del biogás. La figura 9 muestra el

porcentaje de metano presente en el biogás de

los biodigestores 1, 3 y 4 medido

semanalmente.

Figura 9 Porcentaje de metano presente en el biogás.

Como se observa, las excretas de vaca

producen un porcentaje mayor de metano que

las excretas de cerdo, cuyo biogás apenas

alcanzó el 21.49% de contenido de metano en el

mejor de los casos. Cabe mencionar que en el

caso del biodigestor dos, el porcentaje de

metano mantuvo una tendencia a la alza durante

6 de las 7 semanas en las que se monitoreó

dicho parámetro, mientras que el biogás del

biodigestor tres presentó un porcentaje de

metano relativamente constante hasta la semana

9. En contraste, la muestra más representativa

del biogás producido por excretas de vaca

alcanzó su mayor porcentaje de carbono en la

semana 13, obteniendo 70.58% de metano. A

partir de ese momento el porcentaje de metano

se redujo gradualmente en aproximadamente

0.8% cada semana.

Para determinar la cantidad de biogás

generado, como un ejemplo del cálculo se

tomarán como base los datos recopilados para

el biodigestor 4 durante la semana 13, la cual

abarca del 20 al 27 de mayo de 2016, cuyo

porcentaje de metano es 70.58%, la presión

acumulada es 2.2 psi y la temperatura es 23.5

°C. Las masas molares del metano, dióxido de

carbono y biogás producido esa semana serán:

0 2 4 6 8

10 12

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

pH

Semana

pH del sustrato

Bio. 3 (Cerdo)

Bio. 4 (Vaca)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Po

rcen

taje

Semana

Porcentaje de metano en el biogás

Bio. 2 (Cerdo)

Bio. 3 (Cerdo)

Bio. 4 (Vaca)

47



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A continuación, la masa molar del biogás

se utiliza en la ecuación (6) para calcular la

constante particular del biogás de la semana 13,

sabiendo que la constante universal de los gases

es Ru = 8.314 Nm/mol ∙ K.

Donde:

= constante particular del biogás, Nm/kgK

= constante universal de los gases,

Nm/molK

Por lo tanto, la constante particular del

biogás es:

A continuación se determinó la densidad

del biogás contenido dentro del biodigestor con

ayuda de la ecuación (7) de los gases ideales:

Donde:

= presión absoluta del gas, Pa

= volumen del gas, m3

= masa del gas, kg

= constante particular del gas, Nm/kg ∙ K

= temperatura, K

Despejando de (7) se obtiene la ecuación

(8) para determinar la densidad del gas:

Antes de proceder a calcular la densidad

del biogás es necesario realizar las conversiones

de presión manométrica en psi a absoluta en Pa

y de temperatura en °C a °K.

Para calcular la masa del biogás basta con

emplear la ecuación (9), tomando en cuenta que

el volumen ocupado por el biogás es 23 L, ya

que el volumen total del biodigestor es de 33 L

y la mezcla ocupa 10 L.

Donde:

= densidad, kg/m3

El último paso para conocer la cantidad

de litros de biogás generados consiste en

emplear una variante de la ecuación (9), que

será denominada (10) y que contempla la

densidad del biogás a presión atmosférica como

1.25 kg/m3:

48



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Por lo tanto, en la semana 13 el sustrato

de excretas de vaca al 50% y agua al 50%

produjo:

El método de cuantificación de biogás de

Jesús R. González y Luis R. González se aplicó

para el resto de semanas y biodigestores, a

modo de obtener la producción de biogás de

cada semana. En la figura 10 se muestran los

litros de biogás producidos cada semana por los

biodigestores 1, 3 y 4.

Figura 10 Litros de biogás producido.

Se observa que el sustrato del biodigestor

1 nunca superó los 3.5 litros producidos de

biogás, en tanto que el sustrato correspondiente

al biodigestor 3 tuvo una producción máxima

de 5 litros por semana, aunque sólo ocurrió una

ocasión y posteriormente su producción

decreció drásticamente, en tanto que el sustrato

del biodigestor 4 alcanzó una producción

máxima de 11.3 litros por semana.

No fue posible cuantificar el biogás

producido durante las tres primeras semanas, ya

que las mediciones de porcentaje de biogás

comenzaron hasta la cuarta semana de

experimentación. En la figura 11 se presenta el

total de litros de biogás producidos por los

cinco sustratos evaluados.

Figura 11 Producción total de biogás.

Es necesario discernir entre litros de

biogás y litros de metano. El primer término

hace referencia a los litros obtenidos de la

mezcla de gases que conforman el biogás, en

tanto que el segundo concepto se refiere

únicamente a la parte aprovechable del biogás

en forma de energía. La figura 12 ilustra lo

antes comentado.

Figura 12 Litros de metano producido.

0

2

4

6

8

10

12

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Litr

os

Semana

Producción semanal de biogás

Bio. 1 (Cerdo)

Bio. 3 (Cerdo)

Bio. 4 (Vaca)

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5

Litr

os

Biodigestor

Producción total de biogás

0

1

2

3

4

5

6

7

8

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Litr

os

Semana

Producción semanal de metano

Bio. 1 (Cerdo)

Bio. 3 (Cerdo)

Bio. 4 (Vaca)

49



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Se observa que los sustratos de

excremento de cerdo y agua no produjeron una

cantidad considerable de metano, posiblemente

debido a los mismos factores que causaron las

bajas presiones acumuladas representadas en la

figura 7. En la tabla 3 se presenta la producción

total de metano para cada sustrato analizado, así

como el porcentaje máximo de metano

alcanzado y en la tabla 4 se presenta la densidad

del estiércol de vaca y cerdo empleados en la

mezcla de los sustratos.

Biodigestor

no.

Animal

producto

r de

excretas

% de

excretas

% de

agua

Metano

producido

[L]

%

máximo

de metano

1 Cerdo 50 50 2.1375 17.23

2 Cerdo 66.67 33.33 0.8165 21.49

3 Cerdo 33.33 66.67 1.1486 10.86

4 Vaca 50 50 43.8043 70.58

5 Vaca 25 75 36.6201 64.94

Tabla 3 Producción total de metano.

Animal

productor

de excretas

Masa de la

excreta

analizada

[kg]

Volumen de la

excreta

analizada [m3]

Densidad de la

excreta analizada

[kg/m3]

Cerdo 0.1442 0.000155 930.3226

Vaca 0.283 0.0002972 952.2207

Tabla 4 Densidad de las excretas.

Conociendo la densidad de las excretas y

el volumen empleado en la preparación de cada

sustrato es posible determinar la masa de

excremento presente en cada sustrato, y

posteriormente el rendimiento de litros de

metano por kilogramo de excreta. Los

resultados obtenidos se presentan en la tabla 5.

Biodigestor

no. % de

excretas

Volume

n de

excreta

s [L]

Masa

de

excreta

s [kg]

Metano

produci

do [L]

Metano por

kg de

excreta [L]

1 50 5 4.6516 2.1375 0.4595

2 66.67 6.66 6.2025 0.8165 0.1316

3 33.33 3.33 3.1008 1.1486 0.3704

4 50 5 4.7611 43.8043 9.2005

5 25 2.5 2.3806 36.6201 15.3830

Tabla 5 Rendimiento de litros de biogás por kg de

excreta.

Se observa que los sustratos a base de

excremento ovino (biodigestores 4 y 5) tienen

rendimientos ampliamente superiores a los

sustratos a base de excreta porcina, las cuales

no lograron superar los 0.5 L de metano/kg. En

este rubro el sustrato más viable es el preparado

con 25% de excretas de vaca y 75% de agua, el

cual alcanzó los 15.3 L de metano/kg.

Según el Ministerio de Energía de Chile y

et al [23], el poder calorífico del metano es de

10 kWh/m3, o bien:

Donde:

= poder calorífico del metano, kWh/m3,

Wh/L.

Para plantas de generación de energía

eléctrica pequeñas, con capacidades de

generación menores a 150 kW, Wellinger y et

al [24] proponen el uso de sistemas de

generación que empleen motores Stirling, cuya

eficiencia eléctrica se encuentra entre 30 y

40%, por lo cual se asumirá una eficiencia

media del 35%.

Conociendo el valor calorífico del metano

(10 Wh/L), estimando la cantidad de

excrementos producidos diariamente y tomando

en cuenta la recomendación de Wellinger y et

al, es posible determinar la línea base de

energía eléctrica generable en el rancho Los

Dos hermanos a partir de los rendimientos de

litros de metano/kg de excremento previamente

estimados. Los resultados se presentan en la

tabla 6.

50



ISSN-2410-3950





Según la tabla 6, los sustratos a base de

excretas de vaca y agua son los únicos que

podrían satisfacer por completo la demanda

eléctrica del rancho Los dos hermanos, la cual

se estima en aproximadamente 80 kWh

bimestrales.

Biodigestor

no. Masa de

excretas

[kg/día]

L / día de

metano

producidos

kWh / día

generables kWh /

bimestre

generables

1 9.4 4.3195 0.0151 0.9071

2 9.4 1.2374 0.0043 0.2599

3 9.4 3.4820 0.0122 0.7312

4 160 1472.07 5.1523 309.1351

5 160 2461.28 8.6145 516.8698

Tabla 6 Línea base de energía eléctrica generable en el

rancho Los dos hermanos.

Conclusiones

Con base en los resultados experimentales de

las pruebas de biogás realizadas a 3 mezclas de

excretas de cerdo / agua y 2 mezclas de excretas

de vaca / agua, se concluye que estas últimas

son más apropiadas para implementar un

sistema de generación de energía eléctrica para

autoabastecimiento, ya que en ambos casos la

cantidad de metano producido permiten

satisfacer la demanda eléctrica del rancho Los

dos hermanos.

Agradecimientos

Agradecemos a la UNIVERSIDAD

NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO por

el apoyo recibido durante la realización de este

proyecto a través del programa UNAM-

DGAPA-PAPIME-PE102015.

Referencias

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Naciones Unidas para el Desarrollo,


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Environment Facility. Manual de Biogás. 1ª

edición, Chile, FAO, 2011.

53



Caracterización de un susceptor de cobre sensible a radiación solar IR y UV

ZÁRATE-CORONA, José*†, TELOXA-REYES, Julio y AGUILAR-GALVÁN, Daniel.


___________________________________________________________________________________ Resumen

El uso de energías renovables se ha convertido en la

mejor alternativa para disminuir los graves efectos del

calentamiento global. En el presente artículo se muestra

la caracterización de un susceptor de cobre sensible a

radiación solar IR y UV el cual fue instalado en el foco

de una antena parabólica alcanzando temperaturas

alrededor de 300 °C, el susceptor está elaborado a partir

de termopares tipo “K” como transductores de energía

calorifica a energía eléctrica colocados en una placa de

cobre, en la cual se depositó una película de óxido

sensible a radiación solar IR y UV, se muestran los

espectros de absorción del recubrimiento del cobre

tomando como referencia los espectros de absorción del

aire, obtenidos con un equipo BRUKER®. El arreglo de

termopares consta de 800 elementos conectados en serie

y paralelo, el dispositivo final será colocado en una

configuración que permita minimizar las perturbaciones

atmosféricas aprovechando los altos valores de radiación

solar que se tienen en el Campus UPTlax, se ha evaluado

la efectividad de la tecnología dando como resultado una

propuesta viable que permitirá ser una alternativa a las

celdas fotovoltaicas de silicio convencionales

Energías Renovables, Energía Solar, Susceptor,

Termopar, Radiación Solar

Abstract

Renewable energies use has become the best alternative

to reduce the damage effects due to global warming. In

this work it is presented the characterization for a copper

susceptor being sensible to IR and UV sun radiation, the

susceptor was installed in the focus of a parabolic

antenna reaching temperatures around 300°C. The

susceptor is elaborated from type “K” thermocouples as

transducers from heat energy to electric energy,

thermocouples were mounted on a copper bar which

received a chemical treatment in order to obtain an oxide

film sensible to IR and UV sun radiation it is shown the

absorption specters of the film taking as a reference the

air absorption spectres measured with a BRUKER®

equipment. Thermocouple array consist of 800 elements

connected on parallel and series, final setup will be

disposed in a configuration able to reduce atmospheric

perturbations and absorb the high sun radiation values

available at UPTlax Campus, it has been evaluated the

effectiveness of the presented technology as a viable

proposal that could be an alternative to the conventional

silice photovoltaic cells.

Renewable energies, Solar Energy, Susceptor,

Thermocouple, Sun Radiation

Citación: ZÁRATE-CORONA, José, TELOXA-REYES, Julio y AGUILAR-GALVÁN, Daniel. Caracterización de un

susceptor de cobre sensible a radiación solar IR y UV. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 53-57




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ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos los derechos reservados ZÁRATE-CORONA, José, TELOXA-REYES, Julio y AGUILAR-

GALVÁN, Daniel. Caracterización de un susceptor de cobre sensible a

radiación solar IR y UV. Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

La forma tradicional para dar el color negro a

los susceptores de radiación solar, es mediante

la colocación de pinturas epoxicas, las cuales

son capas relativamente gruesas disminuyendo

la eficiencia de captación de la radiación solar,

además que no soportan altas temperaturas, en

esté caso, el suceptor se colocara en el foco de

una antena parabólica [1], que da temperaturas

alrededor de 300 °C. La coloración del suceptor

propuesto en este trabajo es a través de un

depósito químico creando una película delgada

de óxido de cobre negro mate. La coloración de

los metales se genera en la superficie del metal,

convenientemente crecida para producirse un

depósito adherente al metal de sustancias

coloreadas dispuestas en una capa muy delgada

de manera que produzca la impresión de una

coloración uniforme que no influya en el

carácter metálico, por lo que se crecerá una

película superficial de óxido de cobre

químicamente sensible a radiación IR y UV. La

fabricación de este tipo de transductores de

energía calorífica a energía eléctrica es

importante a causa de la técnica de fabricación

la cual no es comparable económicamente y

tecnologicamente a la técnica de fabricación de

celdas solares de silicio.

Como se empleó un revestimiento

delgado, resulta que las variaciones menores en

la constitución química y física de la superficie

metálica como pequeñas impurezas ligadas en

la fabricación de las aleaciones, ejercen mucha

influencia sobre los aspectos de la coloración

metalica. De aquí resulta que las prescripciones

de la coloración de metales se encuentran en el

estado del arte.

En la sección 2 se presentan la

descripción del método, la reaciòn optima con

la cual se obtiene el mejor resultado según los

espectros de absorción mostrados, en la sección

3 se muestra una tabla con los resultados

experimentales más relevantes, en la sección 4,

se presenta una breve discusión y algunas

fotografias del prototipo del suceptor,

finalmente en la sección 5 se muestra una

conclusión general del trabajo presentado

Texto redactado en Times New Roman No.12,

espacio sencillo.

Descripción del método

Coloración negra mate del cobre. Existen

varias formas y métodos de colorear el cobre

[2],[3],[4], en este articulo se muestra el método

mas simple y económico el cuál es calentando

una solución de sosa cáustica hasta el punto de

ebullición, a la cual se le agrega persulfato

potásico por medio de la solución hirviente y en

continuo movimiento de vaivén intenso, en la

superficie se forma una película negra mate que

permite incluso reducir y teñir las

imperfeciones del cobre en la figura 1 se

muestran algunos resultados.

Figura 1 Muestras de las películas de óxido de cobre en

los substratos de cobre.

55



ISSN-2410-3950




Caracterización. Se realizó una

caracterización de las muestras a través de los

espectros de absorción con espectrómetro

marca Bruker®.

En la figura 2(a) y 2(b), se muestran

espectros de absorbancia IR para diferentes

valores de espesor del oxido depositado.

En la figura 3, se presenta el espectro de

absorción del aire

(a)

(b)

Figura 2 Espectros de absorbancia IR de las muestras.

Figura 3 Espectro de absorción del aire.

En la figura 4 se muestra el espectro de

absorción con los picos más altos que se

obtuvieron, estós son correspondientes a la

longitud de onda alrededor de 597 NM.

Figura 4 Espectro de absorción con los picos más altos.

En la figura 5 se muestra un espectro con una

comparación de las placas con mayor absorción, la

de máxima absorción en 605 NM de longitud de

onda es la curva superior.

56



ISSN-2410-3950




Figura 5 Muestras con la máxima absorción.

Resultados

En la tabla 1 se muestran los valores de la

obsorción para cada muestra, en está aparecen

remarcados los valores más relevantes.

Tabla 1 Valores más relevantes de las muestras

En la figura 6 se muestra el incremento en

el nivel de absorción entre una película

tradicional y una tratada químicamente para

radiación solar IR y UV (IR y UV curva

superior y con oxido sensible a IR curva de

abajo)

Figura 6 Comparación entre peliculas.

Se realizó una medición experimental

colocando el susceptor en el foco de la antena

parabólica como se muestra en la figura 7.

Figura 7 Antena parabolica.

Conclusiones

Aplicando la técnica de oxidación–reducciòn se

logró obtener una película de color negro mate

con caracteìsticas de absorbancia en IR y UV,

adherencia y durabilidad mucho mejores que la

película de pintura epoxica convencional.

La eficiencia térmica se aumento en 18% y la

temperatura se elevo 21 ºC

Nº

De

muestra

Absorbancia

media

Nº

De muestra

Absorbancia

media

121 1.2 342 1.31

124 1.2 363 1.37

142 1.19 412 1.52

163 1.39 421 1.61

212 1.33 424 1.58

221 1.35 442 1.43

224 3 463 1.12

242 1.38 512 2.4

263 1.1 524 1.83

312 1.31 542 1.45

321 1.33 563 1.54

324 124 564 1.53

57



ISSN-2410-3950




Con el arreglo experimetal fue posible

captar un valor de voltaje de 50mV a una

temperatura de 230°C con un número de 10

termopares, se planea incrementar el número de

termopares con el fin de utilizar la energía

eléctrica para recargar baterías.

Agradecimientos

Al laboratorio de Ing Química y al Laboratorio

de Automatización y Computo Inteligente de la

de la Universidad Politecnica de Tlaxcala

Referencias

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58



Semi-automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca

MORALES-IBARRA, Vanessa*†, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-HERRERA, María

Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín.


___________________________________________________________________________________ Resumen

En la actualidad existen diversos métodos para el manejo

y la obtención de diversas energías renovables,

conociendo todas las ventajas de su utilización. En el

presente trabajo se muestra la metodología para llevar a

cabo un biodigestor semi-automatizado, ya que este

contara con un termómetro analógico y presostato, los

cuales ayudaran a monitorear la temperatura a la que se

encuentran las mezclas estudiadas que en este caso serán

de cerdo y vaca, además cuenta con un presostato para

mayor seguridad del usuario, ambas variables podrán ser

leídas con una tarjeta arduino uno y mostradas en un

pequeño display de bajo consumo de energía, se observa

respuestas favorables de generación del biogás mostrando

buena presión y buenas características de flama, haciendo

favorable su uso principalmente en lugares donde es

complicado el traslado de gas LP o gas natural,

aprovechando los residuos para la creación de composta.

Energías renovables, Termómetro analógico,

presostato, arduino, display

Abstract

Currently there are several methods for handling and

obtaining various renewable energies, knowing all the

advantages of their use. In this paper the methodology is

shown to perform the job of a biodigester semi -

automated, this will feature an analog thermometer,

which will help to monitor the temperature at which are

the mixtures studied in this case will be pork and cow. In

this paper the methodology is shown to perform the job

of a biodigester semi - automated, this will feature an

analog thermometer and switch pressure which will help

to monitor the temperature and the pression at which are

the mixtures studied, in this case will be pork and cow,

also has a pressure switch for added user safety, both

variables can be read with a arduino card one and

displayed on a small display of low power consumption,

are observed favorable responses from generation

biogas, showing good pressure and good flame as main

feature, making suitable use, mainly the gas in places

where the transfer of LP gas or natural gas is

complicated, using waste to create compost.

Renewable energies, analog thermometer, pressure

switch, arduino, display

Citación: MORALES-IBARRA, Vanessa, SALAZAR-VALLE, Eduardo, MIRANDA-HERRERA, María Guadalupe y

MADRID-GONZÁLEZ, Valentín. Semi-automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca. Revista de Sistemas





59



ISSN-2410-3950



HERRERA, María Guadalupe y MADRID-GONZÁLEZ, Valentín. Semi-

automatización de Biodigestor Cerdo vs Vaca. Revista de Sistemas Experimentales

2016

El presente trabajo muestra el desarrollo y

puesta en marcha de un biodigestor Semi-

Automatizado. Desde hace ya un par de

décadas el hombre se ha dado cuenta del daño

que generan algunas fuentes de energía, además

de que muchas de ellas son agotables y de

difícil, cara o complicada extracción. El

biodigestor descrito muestra una solución

asequible a la obtención de gas natural,

destacando algunas ventajas sobre otros

biodigestores caseros como lo son el monitoreo

de temperatura en el reactor donde se lleva a

cabo la descomposición anaeróbica en donde

dicha descomposición puede ser controlada por

el usuario, el biodigestor cuenta con un

presostato en el tanque de recepción del gas

ayudando esto a mantener la seguridad del

ambiente y el usuario.

Este tipo de soluciones sustentables en la

generación de energía favorece en gran medida

al reciclaje y disminución de residuos;

reduccion en la producción de gases de efecto

invernadero, la producción del gas puede ser

utilizada en diferentes áreas como lo son el

alumbrado, cocción de alimentos, generación de

energía eléctrica etc.

Dentro de la descripción del método se

muestran algunos conceptos básicos para la

creación del biodigestor (antecedentes), tipos

de biodigestores, tarjeta y sensores utilizados

para el monitoreo de variables físicas

(temperatura y presión), observaciónes del

trabajo realizado, resultados y conclusiones.

Antecedentes.

Un biodigestor es un sistema natural y

ecológico que aprovecha la digestión anaeróbica (en ausencia de oxigeno) de las

bacterias para trasformar el estiércol en biogás

y sus residuos en fertilizante.

El biogás puede ser empleado como

combustible en las cocinas, o iluminación, y en

grandes instalaciones se puede utilizar para

alimentar al llamado biol, inicialmente se ha

considerado un producto secundario, pero

actualmente se está considerando de la misma

importancia, o mayor, que el biogás ya que

provee un fertilizante natural que mejora

fuertemente el rendimiento de las cosechas.

El gas metano es un hidrocarburo alcano

sencillo, el contiene únicamente átomos de

carbono e hidrogeno unidos por un enlace

covalente. Es incoloro y no es soluble en agua.

En la naturaleza se produce como producto

final de la putrefacción anaeróbica de las

plantas, conocido también como biogás.

Es biogás es un gas que se genera en

medios naturales o en dispositivos específicos,

por las reacciones de biodegradación de la

materia orgánica, mediante la acción de

microorganismos y otros factores, en ausencia

de oxigeno (ambiente anaeróbico). El producto

resultante está formado por metano CH4 (50 a

70%), dióxido de carbono CO2 (30 a 45%),

monóxido de carbono y otros gases en menor

proporción. El biogás y abono generado de los

residuos de operación del biodigestor ha sido

utilizado en países con poblaciones rurales

numerosas debido a que es económico y fácil

de instalar.

Tipos de Biodigestores.

En la figura 1. Se muestra un esquema con los

diferentes tipos de biodigestores, estos están

clasificados en función de su frecuencia de

cargado, osea la frecuencia con la que se

introduce la materia a descomponer, se

mencionan enseguida algunas ventajas y

desventajas de cada uno de ellos.

60



ISSN-2410-3950





2016

Figura 1 Tipos de biodigestores.

Discontinuo: Se carga una sola vez y se

retira cuando ya se ha dejado de producir gas,

solo entonces se renueva de materia orgánica.

Se usa cuando la disponibilidad de materia

orgánica es limitada o intermitente.

*Tipo Batch o intermitente Figura 2, esta

clase de biodigestor, se carga(o se llena) una

vez, y se descarga el contenido digerido, una

vez que finaliza el proceso de fermentado, osea,

cuando deja de producir gas. Tiene un solo

orificio para la carga y descarga. La duración de

la fermentación varìa entre 2 a 4 meses,

dependiendo del clima ya sea este cálido,

templado, frio, etc; ya que la temperatura afecta

directamente la velocidad de reacción dentro

del reactor.

Semicontinuo: Se cargan en lapsos cortos

como de 12 horas, 1 vez al dìa, o cada dos días,

se utiliza cuando la disponibilidad de materia

organica es constante. Los principales, son el

Hindu, el Chino, y el Taiwanés, como ventaja

principales si se quiere aprovechar màs el gas, o

el biol, generado de los residuos es una buena

opción.

Figura 2 Biodigestor tipo Batch o intermitente.

*Tipo chino, Figura 3 un modelo bastante

utilizado debido a su durabilidad, fácil manejo,

funcionabilidad y seguridad. Se trata de una

cámara cerrada con sus respectivas cámaras de

carga y descarga. La estructura puede ser

construida de concreto armado, ladrillos,

piedra u hormigón y las paredes internas

permeabilizadas con diferentes materiales, se

estima su vida útil mayor a 15 años con un buen

mantenimiento.

Figura 3 Tipo chino.

61



ISSN-2410-3950





2016

*Tipo Hindú, figura 4. Este diseño

consiste en una estructura vertical que dispone

de un reactor, cuya estructura sea de ladrillo

tanto paredes como fondo, aunque a veces se

usa refuerzo en hormigón, una campana o

cúpula flotante de metal o material resistente a

la corrosión, dos zonas definidas conectadas al

reactor: una para la carga de materia orgánica y

otra para la descarga de biol, una cámara

hermética en la cual se genera condiciones de

degradación anaeróbicas y la salida.

Figura 4 Digestor tipo Hindú.

*Tipo salchicha, Figura 5 En este

digestor, el gas se va acumulando en la parte

superior de la bolsa-reactor, parcialmente llena

con materia orgánica en fermentación, la bolsa

se va inflando lentamente con una sistema

presión baja.

Este biodigestor presenta los siguientes

componentes:

-Tubo de entrada: es un tubo de plástico

de 20 a 30cm de diámetro, que se utiliza para

la inserción de materia orgánica y se dirige

hacia adentro del reactor 15 cm de

profundidad.

-Reactor principal componente del

biodigestor, su tamaña varía dependiendo de la

cantidad de material a fermentar, sin embargo

este no puede ser muy grande, debe estar

aislado y contener un de calentamiento y

agitación. Para calentarse se recubre por encima

de 60 cm con una estructra simple de plàstico a

modo de invernadero, la construcción de una

pared de tierra a los costados para evitar el

enfriamiento del biodigestor. El gas producido

por el digestor puede almacenarse en un espacio

añadido al digestor o conducirse

independientemente a otra instalacion de

almacenamiento, cerca de la cocina, calefactor

a usarse.

-Tubo del afluente: fabricado de material

plástico, localizado entre 10 a 15 cm, por

debajo del tubo de entrada y en el lado opuesto

del digestor, generando una pendiente que

proporcione el gradiente necesario para que el

gas fluya naturalmente y con facilidad a la hora

de descargar y evitar fugas.

-Tubo de metano: ubicado en la parte

superior de la bolsa de almacenamiento de

metano, de 5 cm de diámetro, se utiliza para

transportar el biogás a su lugar de uso. Es

importante que se conecte a un filtro absorbente

de sulfuro de hidrógeno, que puede ser de

virutas de hierro y u tros materiales.

-Dispositivo de seguridad: se utiliza para

prevenir la ruptura del fermentador ocasionada

por las presiones altas del gas generado de la

fermentación anaeróbica. Consiste en una

botella plásticade de al menos 10 cm de

profundidad insertada la tubo de salida, cuando

la presión del digestor es mayor a la del agua

(osea, la presion mayor a 10cm de agua), se

liberará el gas.

-Tubo de limpieza: el lodo sedimentado

en el fondo del biodigestor debe ser removido

cada dos años, esta la tubería sirve para

evacuar estos lodos por bombeo.

62



ISSN-2410-3950





2016

Figura 5 Digestor tipo Salchicha.

Tarjeta y sensores utilizados.

*Arduino, figura 6. Es una herramienta y

plataforma electrónica de código abierto,

flexible y sencillo de utilizar. Con ella es

posible crear objetos o entornos interactivos.

Esta plataforma puede detectar o afectar el

entorno recibiendo entradas de diversos

sensores y activando algunos actuadores

respectivamente.

La tarjeta Arduino posee un

microcontrolador el cual se programa mediante

el lenguaje de programación Arduino y el

entorno de desarrollo Arduino. Los ficheros de

diseño de referencia pueden ser adaptables a las

necesidades del usuario puesto que se

encuentran disponibles bajo una licencia

abierta.

Otros microcontroladores ofrecen

características similares al Arduino, pero éste

lleva ventaja en cuanto a asequibilidad,

multiplataforma trabajando con Windows, Mac

y Linux; entorno de programación simple;

software y sobre todo hardware ampliable.

Figura 6 Tarjeta arduino.

Sensor LM35, Figura 7 es un sensor de

temperatura con una precisión calibrada de

1 ºC. Su rango de medición abarca desde -55 °C

hasta 150 °C. La salida es lineal y cada grado

Celsius equivale a 10 mV (150 ºC = 1500 mV).

Está calibrado directamente en grados Celsius.

La tensión de salida es proporcional a la

temperatura y tiene una precisión garantizada

de 0.5 °C a 25 °C, baja corriente de

alimentación (60 μA) y bajo coste, no requiere

de circuitos adicionales para calibrarlo

externamente. Este integrado es de fácil

instalacion en un circuito de control. Se

encuentra en diferentes tipos de encapsulado.,

el más común es el TO-92.

Figura 7 Sensor de temperatura LM35.

Presostato, Figura 8. El presostato

utilizado para el trabajo es el ZSE40A, el cual

muestra una salida en kilo pascales, en su

propio display, cuenta con tres terminales, una

de alimentación de 12 VDC a 24 VDC, la otra

para conexión a tierra y una ultima que

funciona como salida analógica, siendo esta

ultima la que esta sensando la tarjeta arduino,

esta salida esta estandarizada de 4 a 20mA, el

sensor cuenta con diferentes funciones de salida

la tipo histéresis en donde en base a un valor de

referencia programado por el usuario encenderá

el presostato y tipo ventana en donde el usuario

podrá programar el sensor con una presión

minima (P1) y una presión máxima(P2) a su

conveniencia, la programación utilizada fue la

tipo histéresis.

63



ISSN-2410-3950





2016

Figura 8 Medidor de presión digital.

Resultados

La técnica utilizada para este biodigestor fue la

de tipo batch, en la figura 9 se muestra el

prototipo utilizado,se realizaron pruebas con

estiércol de vaca y estiércol de cerdo,

realizando observando que al utilizar el

estiércol de vaca se obtuvo una presión de

alrededor de 25 kp en un periodo de espera de

48 horas y al cargar el digestor con el estiércol

de cerdo el presostato obtuvo una presión

alrededor de los 20kp en un perido de 2 dias, la

descomposición anaeróbica se mantuvo a una

temperatura ambiente de alrededor de los 30 °

por lo cual la descomposición y generación de

gas se llevo a cabo de una manera rápida, el

prototipo del deposito de gas es de tipo

campana flotante, en donde con dos

depósitos(porrones) uno dentro del otro, se

formara el deposito campana con sello de agua,

esta sencilla instalación ayuda a estudiar los

parámetros de digestión en caso de no contar un

medidor de presionmontado en el reservorio del

gas.

Figura 9 Protipo de Biodigestor tipo Batch.

Al sistema discontinuo, tipo batch

utilizado se le agrego un sensor de temperatura

en el reactor para ayudar al usuario a conocer la

temperatura y si así lo desea controlar dicha

temperatura para ayudar a la descomposición

anaeróbica que se genera, se incluyo en el

contenedor utilizado para la retención del gas

un presostato el cual beneficia al monitoreo de

presión generada, garantizando la obtención del

gas y la seguridad del lugar donde se coloque el

digestor. En la figura 10 se muestra el

programa utilizado en la tarjeta arduino.

Figura 10 Programa en arduino.

64



ISSN-2410-3950





2016

Las salidas de los sensores utilizados

muestran sus resultados en un display de bajo

consumo el cual es conectado a la tarjeta

arduino, y su fuente de alimentación es una

conexion a una pila de 9VCD para la arduino,

el display y el sensor de temperatura y la

conexión al sensor de presión es con dos pilas

de 9 VCD en conexión en serie.

Agradecimientos

Se agradace a la Universidad Tecnologica de

Torreon por el apoyo brindado para el

desarrollo de este trabajo y al cuerpo académico

de innovación, integración y desarrollo de

tecnologías.

Conclusiones.

Todas los cambios de carga del digestor se

realizaron en un lapso de dos días, Obteniendo

buenos resultados en la generación del biogás,

después de las primeras veces de quema de gas,

se dio a conocer que el gas se mantiene por

encima del aire, muestra buenas características

de flama. Con el estiércol de cerdo se produce

menos gas que con el estiércol de vaca, con el

de cerdo el gas que se obtiene tiene un olor más

fuerte y despreciable, con el gas obtenido con el

estiércol de vaca se obtiene en promedio 3 cm

más de gas en dos días que con el de cerdo y el

olor es menos despreciable, con respecto al de

cerdo.

Al ser vaciado y limpiado el biodigestor

para una nueva carga, se mostró que la

descomposición del cerdo es de mayor

aceleración en comparación con la de la vaca,

cuando se vacío la carga del cerdo no tenía casi

nada de carga de materia orgánica, pero mostro

una mayor cantidad de fertilizante al ser

vaciado.

La de vaca al ser limpiado el biodigestor,

mostro que un tenia materia orgánica que podía

seguir descomponiéndose dentro de él,

mostrando una carga de fertilizante de 45% de

la carga original del bote aproximadamente.

Referencias

Martina P., Yank L. & Corace J. & Bucki

Wasserman B. & Aeberhard R. & Ventín A.

(2005). Estudio de la producción de biogás en

función de la cantidad de residuos de madera

en un biodigestor del tipo carga única o batch.

Avances en energías renovables y medio

ambiente. Vol (9).pp 06.23 a 06.27.

Soria Fregoso M. & Ferrera-Cerrato, R.

(2001). Produccion de biofertilizantes mediante

biodigestion de excreta liquida de cerdo. Terra

.Vol (19). pp 353 a 362.

Bernardo campos cuni (2011). Metodologia

para determinar los parámetros de diseño y

construcción de biodigestores para el sector

cooperativo y campesino. Scielo on line Vol.

20.

Brian W. Evans. 2008 Arduino Programming

Handbook: A Beginner's Reference, Editorial,

USA, 2 edición.

Jaime Marti Herrero. (2008).

BIODIGESTORES FAMILIARES, Guia de

diseño y Manual de instalación.. Bolivia,

Editorial Cooperación Técnica Alemana GTZ.

65



Efectos de la temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico

MESSINA-LÓPEZ, Víctor*†, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César.


___________________________________________________________________________________ Resumen

Diversos factores son los que pueden afectar la eficiencia

de un panel fotovoltaico, entre ellos, la temperatura. Este

trabajo se centra en concentrar 30 lecturas de

temperatura usando sensores LM35, provenientes de un

solo módulo de los 24 en que consiste el SFV instalado

en la Universidad Tecnológica de Bahía de Banderas, con

una potencia eléctrica de 6 kWp. Estos 30 sensores darán

una temperatura individual y otra promedio con un

muestreo por minuto hasta llegar a 10 muestras que

arrojaran el promedio individual de la celda y del panel

en su totalidad. Otros 12 sensores de temperatura estarán

dispuestos en puntos estratégicos, los cuales nos darán

una temperatura promedio individual, la cual, será

comparada y analizada por medio de tarjetas de

adquisición de datos (DAQ), con interfaz a Labview®

para su visualización. Los fabricantes indican y la

literatura nos dice que la eficiencia de una célula

fotovoltaica vs el panel en su totalidad, difiere de un 1 a

3% respectivamente. Por tal motivo, los resultados

obtenidos en este trabajo nos darán la pauta para poder

inquirir en dicha información para la toma de decisiones

en lo que a orientación óptima se refiere a la hora de

implementar estos sistemas.

Temperatura, eficiencia, fotovoltaico, sensor

Abstract

Several factors are those that can affect the efficiency of

a photovoltaic panel, including temperature. This paper

focuses on concentrating 30 readings using LM35

temperature sensors from a single module 24 that is the

SFV installed at the Technological University of Bahía

de Banderas, with an electrical output of 6 kWp. These

30 sensors give an individual temperature and other

average with sampling per minute up to 10 samples that

throw the average individual cell and panel in full.

Another 12 temperature sensors shall be arranged at

strategic points, which will give us an average individual

temperature, which will be compared and analyzed using

data acquisition card (DAQ) with Labview® interface for

viewing. Manufacturers indicate and literature tells us

that the efficiency of a photovoltaic cell vs the panel as a

whole, differs from 1 to 3% respectively. Therefore, the

results obtained in this study will give us the pattern to

inquire into this information for making decisions on

what to optimum orientation refers to when

implementing these systems.

Temperature, efficiency, photovoltaic, sensor

Citación: MESSINA-LÓPEZ, Víctor, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-VÁZQUEZ, César. Efectos dela

temperatura en la eficiencia de un módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 65-77




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ISSN-2410-3950


MESSINA-LÓPEZ, Víctor, DIBENE-ARRIOLA, Luis y PAREDES-

VÁZQUEZ, César. Efectos dela temperatura en la eficiencia de un

módulo fotovoltaico. Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

La Universidad Tecnológica de Bahía de

Banderas (UTBB) cuenta desde el año 2015

con un sistema fotovoltaico interconectado a la

red de 3kWp en su primera etapa de gestación.

Este sistema se encuentra dentro de sus

instalaciones, específicamente en la azotea del

laboratorio de mantenimiento industrial.

Figura 1 Sistema fotovoltaico de 3kWp en las

instalaciones de la UTBB, primera etapa.

En mayo de 2016 concluyó la segunda

etapa, en la cual, se instaló de nueva cuenta

3kWp adicionales para contar a la fecha con un

sistema fotovoltaico interconectado a la red de

6kWp que contribuyen de manera modesta, al

consumo interno pero con una importante

transcendencia en el ámbito académico.

Figura 2 Sistema fotovoltaico de 6kWp en las

instalaciones de la UTBB, segunda etapa.

Uno de los factores más relevantes en la

eficiencia de un módulo fotovoltaico es la

temperatura. La zona geográfica en la que se

encuentra la UTBB brinda parámetros a

considerar.

Mes Temperatura

diaria

mínima

Temperatura

diaria

máxima

Total

de

lluvia

(mm)

Numero

de días

de lluvia

Enero 16.7 28.8 33.8 2.2

Febrero 16.3 29 5.3 0.7

Marzo 16.9 29.2 2 0.6

Abril 17.2 29.9 1.5 0.2

Mayo 20.2 31 15.4 1

Junio 22.8 32.3 187.6 10.8

Julio 22.9 33.3 328.1 16.4

Agosto 23 33.7 312.4 15.2

Septiembre 22.9 33.6 370 15.6

Octubre 22.2 33.6 93.8 5.1

Noviembre 19.7 32.6 19.8 1.4

Diciembre 18 29.9 22.5 1.9

Tabla 1 Temperaturas y total de lluvia para la región de

Bahía de Banderas, Nayarit.(World Weather, 2016)

Figura 3 Información climatológica.

La potencia de salida de un módulo

fotovoltaico depende, entre otros, de los

materiales del módulo y de la cantidad de luz

solar que incide sobre la superficie del panel, la

cual varía día a día y de una región geográfica a

otra y es producto de muchas variables.

67



ISSN-2410-3950





También se ve afectada por la

temperatura del módulo, pérdidas por el

cableado, y por condiciones ambientales como

altos niveles de polvo atmosférico. Cada

variable puede contribuir con una pérdida en la

eficiencia que puede dar como resultado una

dramática reducción en el rendimiento general

del panel fotovoltaico (Ali Al Shehri, 2016).

Fundamentos

El Sol irradia una gran cantidad de energía,

misma que llega a la superficie terrestre en una

ínfima parte, (aproximadamente dos

millonésimas partes). Pero esa parte minúscula

en términos relativos, supone un flujo

extraordinario de energía solar de 1018

kilovatios-hora (kWh) anual. Una cantidad que

supera con creces, no solo nuestro consumo de

energía anual, sino la propia energía contenida

en todas las reservas conocidas de energías

fósiles. El flujo de energía procedente del Sol es

unas 10,000 veces mayor que nuestro consumo

energético actual. O dicho en otras palabras,

bastaría utilizar el 0.01% de ese flujo energético

para cubrir nuestra demanda. (Vallina, 2011).

Un panel fotovoltaico es un conjunto

interconectado de células solares y es el

componente básico de un sistema fotovoltaico.

Un panel o módulo fotovoltaico se compone de

una parte frontal transparente, con un perfil de

goma, un vidrio frontal, un material de

incrustamiento, encapsulado, células solares y

lámina posterior. Está enmarcado con un marco

de aluminio anodizado, en ocasiones con un

acero inoxidable o con un marco de plástico.

Figura 4 Componentes de un módulo fotovoltaico.

El material de la parte delantera

(superestrato) es generalmente baja en hierro y

el vidrio templado. Los materiales posteriores

comúnmente utilizados (sustratos) son EVA

(etileno-vinilo-acetato) y PVB (polivinilo

butiral). De acuerdo con la tecnología utilizada

en las células solares, los paneles fotovoltaicos

están clasificados como monocristalinos,

policristalinos y paneles solares amorfos, y

estos últimos también se conocen como paneles

de película delgada (Thin film) o capa fina.

El rendimiento de un panel fotovoltaico es

generalmente medido en condiciones standard

de ensayo (Standard Test Conditions o STC):

radiación de 1,000 W/m² (incidencia normal),

distribución espectral AM 1.5 y temperatura de

la célula a 25° C.

Las características eléctricas de los

paneles solares, incluyen numerosos

parámetros, por citar algunos, incluye el tipo de

célula y número, así como su interconexión.

Caja de conexiones, tipo y grado IP de

protección, la potencia nominal, máxima y

mínima garantizada, el voltaje de circuito

abierto, intensidad de cortocircuito, corriente y

tensión máxima de potencia y tensión máxima

del sistema interconectado. También el fusible,

diodos bypass, cableado de conexión y

longitud, los conectores y tipo, eficiencia del

panel, la tolerancia de la potencia máxima y los

coeficientes de temperatura.

68



ISSN-2410-3950





En cuanto a la temperatura existe una

variable que es la temperatura de operación

nominal de las células (NOCT o Nominal

Operation Cell Temperature): radiación de 800

W/m² (incidencia normal), distribución

espectral AM 1.5, temperatura ambiente de 20°

C y velocidad del viento de 1 m/s.

La medida más interesante es la eficiencia

del panel, o qué porcentaje de energía de la luz

que incide en el panel se convierte en

electricidad. Usted debe ser consciente, sin

embargo, que la eficiencia de la célula solar no

es igual a la eficiencia del panel.

La eficiencia del panel es generalmente

de 1 a 3% inferior a la eficiencia de células

solares debido a la reflexión de vidrio, marco de

sombra, las temperaturas más altas, etc. Por eso

algunos fabricantes pueden hablar de la

eficiencia de su célula en lugar de la eficiencia

del panel.

Una segunda medida del rendimiento es

la tolerancia de potencia, que indica el rango de

potencia nominal que el fabricante puede

garantizar. Por ejemplo, una tolerancia final -

3% inferior significa que la potencia pico real

podría ser 3% inferior a la potencia nominal

indicada.

La tercera medida importante es el

rendimiento de los coeficientes de temperatura

que muestran cómo los resultados del panel

seguirán los cambios de temperatura. Tres

coeficientes de temperatura más comunes están

disponibles en las hojas de datos del panel, y

deben considerarse como parámetros

importantes en la etapa de diseño de los

sistemas fotovoltaicos.

Los paneles solares deben soportar el

calor, el frío, lluvia y granizo durante muchos

años. Muchos fabricantes de módulos

fotovoltaicos de silicio cristalino ofrecen

garantías que garantizan una producción

eléctrica durante 10 años en el 90% de la

producción de potencia nominal y 25 años en

un 80%.

Estos datos son aproximados, por lo que

hay que tener prudencia y asegurarse la garantía

de potencia en el contrato de compraventa o por

lo menos del fabricante. La certificación de los

paneles, es imprescindible tanto en Europa

como en América. Estos, además de asegurar la

calidad del producto, sirven para obtener la

aprobación de los descuentos federales y

estatales en los EE.UU. Cada uno de los países

y los estados tienen un conjunto específico de

normas que deben cumplir los paneles solares

ya sea para uso casero o de uso público. Las

normas de certificación más comunes son:

- TÜV Certificate (Alemania)

- IEC 61215 (crystalline silicon

performance), 61646 (thin film performance) y

61730 (safety class II)

- UL 1703 (Underwriters Laboratories

Inc. EEUU)

- Marcado C

- E (Normas de la Unión Europea)

- El certificado TÜV indica que los

paneles han superado las pruebas de las normas

IEC, mientras que el certificado UL implica la

prueba UL 1703.

(APS Valencia Energías Renovables , 2012)

69



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Desarrollo

El desarrollo de la investigación se centra en la

toma de 30 lecturas de temperatura en un

módulo fotovoltaico integrante del sistema con

el que se cuenta en la UTBB, para determinar

cómo afecta la temperatura la eficiencia del

dispositivo en su conjunto. La toma de dichas

lecturas procederá de sensores de temperatura

LM35, los cuales, tendrán una disposición

específica con el fin de poder obtener datos más

precisos de la temperatura total del módulo en

cuestión. Estos datos de salida serán

concentrados en tarjetas DAQ´s (Data

AdQuisition), por sus siglas en Ingles para ser

analizados individualmente y en su conjunto

por medio de interfaz a Labview®. El sistema

fotovoltaico interconectado a la red es de una

potencia de 6kWp y consta de dos inversores

con una potencia de 3kW cada uno, 24 módulos

fotovoltaicos marca Solartec®, con una

potencia individual de 250W.

Figura 5 SFV interconectado a la red en la UTBB.

Figura 6 Hoja de datos técnicos, modulo fotovoltaico

Solartec® 250W.

El sensor empleado para esta

investigación es el LM35, debido a su amplio

rango de operación, y a su sencilla

implementación.

70



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Figura 7 Sensor LM35, diagrama de conexión y

encapsulado.

El rango de operación se muestra en la

siguiente tabla, la cual indica que su operación

incrementa o decrementa 10mV por cada grado

centígrado de temperatura.

°C mV

125 1,250

…. ….

45 450

40 400

35 350

30 300

25 250

20 200

15 150

10 100

5 50

0 0

-10 -10

…. ….

-40 -400

Tabla 2 Rangos de temperatura del sensor LM35.

Los 30 sensores de temperatura estarán

adheridos con cinta de doble propósito a la

parte interna del módulo fotovoltaico, el cual

cuenta para el modelo S60PC con 60 células

individuales por modulo. En la figura 7 se

muestra la disposición de cada uno de los

sensores en el módulo.

Figura 8 Ubicación de los sensores de temperatura en el

módulo fotovoltaico.

En la siguiente figura se observa de

manera física la conexión y disposición de los

sensores de temperatura en la parte inferior del

módulo fotovoltaico con un salto entre celdas.

Figura 9 Vista interior de los sensores de temperatura en

el módulo fotovoltaico.

Con este arreglo, se pretende abarcar la

mayor área posible del módulo fotovoltaico con

el fin de ver el comportamiento de cada una de

las temperaturas en las distintas zonas del panel

debido a su inclinación con el que fue diseñado,

(aproximadamente 20°), y que en nuestro caso,

coincide con la latitud de 20°38'30.1"N,

mirando hacia el sur geográfico.(NASA, 2014).

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ISSN-2410-3950





Los datos de salidaprovenientes de los

sensores de temperatura seránconectados por

medio de cableado a tarjetas DAQ NI USB300,

las cuales, concentraran a una PC la

información.

Este modelocuenta con 8 entradas

análogas por lo cual se utilizaron 5 tarjetas de

adquisición de datos con conexión USB.

Figura 10 Tarjeta de Adquisición de Datos, DAQ por sus

siglas en Ingles NI USB 6008, con 8 puertos de entrada

análogos.

Figura 11 Tarjetas de adquisición de datos utilizada para

la concentración de la información hacia la PC.

La programación de los comandos e

interpretación de los datos provenientes de los

sensores se realizó con la interfaz Labview®,

en la cual, se implementó un programa

específico que tomara lecturas con un espacio

de 10 minutos por sensor para dar un promedio

de lectura en los 30 instalados en el módulo

fotovoltaico, así como también el promedio

general del sistema en su conjunto. Los datos

de salida se pueden ver de forma gráfica en el

programa o también se pueden descargar en

archivo de Excel *.xls, para su análisis e

interpretación.

Figura 12 Pantalla principal del programa para la toma

de lecturas de los sensores de temperatura en Labview®.

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El programa muestra virtualmente las

mediciones provenientes de los sensores LM35

ubicados en el módulo fotovoltaico, tal y como

se muestra en la figura anterior, con la

diferencia que el modulo en la ventana se

muestra de manera horizontal para fines

prácticos, y su ubicación real es 90° hacia la

derecha. Las siglas para los sensores son TC, y

van del TC1 al TC30, con un color verde

(simulando un LED), para temperaturas que

oscilan en los rangos de 10° a los 40°C,

cualquier temperatura inferior o superior

respectivamente se visualizara con un color rojo

para su rápida identificación.

Figura 13 Pantalla principal del programa con lecturas

fuera de rango u anómalas.

Las lecturas del díase muestran en la

siguiente tabla de la interfaz Labview®, donde

muestra el número de lectura, fecha de la

lectura, hora de la lectura y los 30 sensores en

cuestión.

Figura 14 Pantalla con la tabla de datos.

Adicionalmente, el programa muestra las

gráficas individuales de cada uno de los 30

sensores para ver su tendencia con respecto al

tiempo, y una gráfica para el promedio total. A

la izquierda de la gráfica se muestran las

últimas 7 lecturas registradas por el programa.

Figura 15 Grafica de cuatro sensores operando

simultáneamente.

Resultados

La temperatura óptima de operación de los

módulos fotovoltaicos Solartec nos dice lo

siguientes:

Condiciones de Operación

Temperatura -40 hasta + 90°C

Carga máxima 50 psf (2,400 pascales)

Resistencia al

impacto

Granizo - 25mm (1in.) a 23m/s

Normado con IEC 61215 / IEC 61730 / NMX-

J-618

Tabla 3 Condiciones de operación del módulo Solartec

S60PC.

Donde la eficiencia del panel es del

15.29% a una temperatura de prueba estándar

de 25°C, y (Solartec, 2016) radiación de 1,000

W/m² (incidencia normal), distribución

espectral AM 1.5 y velocidad del viento de 1

m/s.(Solartec, 2016)

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ISSN-2410-3950





La temperatura registrada por los sensores

se realizó entre el 12 de agosto y el 9 de

septiembre, los meses más calurosos del año en

la región de Bahía de Banderas, Nayarit.

Para fines prácticos el análisis se tomó el día 12

de septiembre, el cual, tuvo momentos

intermitentes de sol y nubes debido al temporal

de lluvias.

Los resultados fueron analizados en un

programa de hoja de cálculo para ver el

comportamiento del módulo a través del tiempo

que se tomó para la realización de esta

investigación.

Los registros de temperatura en las

siguientes tablas nos muestran distintos rangos

en las células fotovoltaicas del módulo

señalado.

09/12/2016 07:30:00 p.m. 19.49 18.95 18.93

09/12/2016 07:40:00 p.m. 18.65 18.03 18.35

09/12/2016 07:50:00 p.m. 18.25 17.53 17.87

09/12/2016 08:00:00 p.m. 17.60 16.96 17.47

09/12/2016 08:10:00 p.m. 17.00 16.29 16.94

09/12/2016 08:20:00 p.m. 17.14 16.34 16.98

09/12/2016 08:30:00 p.m. 17.73 16.97 17.70

09/12/2016 08:40:00 p.m. 17.62 16.82 17.56

09/12/2016 08:50:00 p.m. 16.88 16.04 16.79

09/12/2016 09:00:00 p.m. 17.18 16.29 17.01

09/12/2016 09:10:00 p.m. 17.58 16.69 17.34

09/12/2016 09:20:00 p.m. 17.14 16.23 16.87

09/12/2016 09:30:00 p.m. 17.35 16.48 17.17

09/12/2016 09:40:00 p.m. 19.28 18.43 19.18

09/12/2016 09:50:00 p.m. 19.12 18.24 18.93

09/12/2016 10:00:00 p.m. 16.85 15.92 16.54

09/12/2016 10:10:00 p.m. 15.83 14.86 15.51

09/12/2016 10:20:00 p.m. 15.31 14.50 15.22

09/12/2016 10:30:00 p.m. 15.17 14.29 15.01

09/12/2016 10:40:00 p.m. 15.66 14.75 15.34

09/12/2016 10:50:00 p.m. 15.14 14.26 14.89

09/12/2016 11:00:00 p.m. 15.00 14.18 14.89

09/12/2016 11:10:00 p.m. 15.08 14.28 15.05

09/12/2016 11:20:00 p.m. 15.03 14.21 14.95

09/12/2016 11:30:00 p.m. 15.05 14.26 15.10

09/12/2016 11:40:00 p.m. 15.09 14.27 15.06

09/12/2016 11:50:00 p.m. 14.94 14.17 15.02

Tabla 4 Temperatura registrada en celdas solares con un

rango de 0 a 20°C.

En la tabla se obtuvo que los sensores T1,

T2 y T3, registraron temperaturas inferiores a

los 20°C, siendo estos los que se encuentran en

la parte superior del módulo fotovoltaico, con

intervalos desde las 3:30 p.m, hasta el final del

día de medición.

74



ISSN-2410-3950





09/12/2016 07:30:00 p.m. 28.11 29.77

09/12/2016 07:40:00 p.m. 27.19 28.69

09/12/2016 07:50:00 p.m. 25.95 27.42

09/12/2016 08:00:00 p.m. 24.60 25.98

09/12/2016 08:10:00 p.m. 23.81 25.12

09/12/2016 08:20:00 p.m. 22.97 24.32

09/12/2016 08:30:00 p.m. 22.28 23.64

09/12/2016 08:40:00 p.m. 22.38 23.69

09/12/2016 08:50:00 p.m. 22.59 23.88

09/12/2016 09:00:00 p.m. 22.48 23.82

09/12/2016 09:10:00 p.m. 22.41 23.75

09/12/2016 09:20:00 p.m. 21.78 23.19

09/12/2016 09:30:00 p.m. 22.54 23.89

09/12/2016 09:40:00 p.m. 22.52 23.82

09/12/2016 09:50:00 p.m. 22.58 24.01

09/12/2016 10:00:00 p.m. 23.53 24.98

09/12/2016 10:10:00 p.m. 23.12 24.63

09/12/2016 10:20:00 p.m. 22.56 23.99

09/12/2016 10:30:00 p.m. 22.14 23.56

09/12/2016 10:40:00 p.m. 22.23 23.69

09/12/2016 10:50:00 p.m. 22.30 23.77

09/12/2016 11:00:00 p.m. 22.19 23.66

09/12/2016 11:10:00 p.m. 22.39 23.84

09/12/2016 11:20:00 p.m. 22.10 23.54

09/12/2016 11:30:00 p.m. 22.07 23.53

09/12/2016 11:40:00 p.m. 22.53 23.98

09/12/2016 11:50:00 p.m. 22.43 23.88


rango de 20 a 30°C.

En la tabla anterior se muestran las

temperaturas que estuvieron en los rangos de 20

a 30°C, que es la temperatura en que se realizan

las pruebas a los módulos fotovoltaicos,

estando solamente 10 de las 60 celdas dentro de

estos parámetros de temperatura.

Fecha Hora T1C

1

T1C

2

T1C

3

T1C

4

T1C

5

T1C

6

T1C

7

09/12/20

16

09:50:00

a.m.

28.1

9

27.8

6

25.0

3

26.3

8

35.1

8

37.8

0

55.5

6

09/12/20

16

10:00:00

a.m.

31.1

4

30.8

7

27.2

9

28.8

6

38.3

5

41.1

8

72.7

8

09/12/20

16

10:10:00

a.m.

32.8

1

32.5

8

28.3

7

30.1

9

39.6

3

42.8

0

86.6

0

09/12/20

16

10:20:00

a.m.

33.6

6

33.6

6

29.0

6

34.7

9

40.1

0

43.4

1

73.0

8

09/12/20

16

10:30:00

a.m.

34.3

0

34.5

9

29.9

9

76.9

9

41.4

4

44.3

9

42.3

6

09/12/20

16

10:40:00

a.m.

35.4

4

35.9

3

30.8

7

61.1

6

42.4

2

45.5

0

48.2

6

09/12/20

16

10:50:00

a.m.

36.8

3

37.1

3

32.3

0

34.0

4

44.4

0

46.7

4

44.7

9

09/12/20

16

11:00:00

a.m.

38.8

2

39.4

2

33.3

4

35.5

7

45.5

3

48.6

9

48.5

4

09/12/20

16

11:10:00

a.m.

36.8

2

36.8

1

33.1

1

40.0

0

44.9

3

46.3

8

44.3

8

09/12/20

16

11:20:00

a.m.

37.4

5

37.8

9

33.9

4

46.2

6

45.9

9

47.6

5

45.2

1

09/12/20

16

11:30:00

a.m.

40.9

8

41.2

9

36.7

1

49.4

7

49.4

3

51.3

7

59.7

5

09/12/20

16

11:40:00

a.m.

38.5

7

37.7

9

35.9

8

42.0

2

48.1

1

48.3

4

46.3

5

09/12/20

16

11:50:00

a.m.

38.3

6

37.7

8

36.0

4

44.5

6

49.0

0

48.4

2

46.2

1

09/12/20

16

12:00:00

p.m.

37.9

1

37.5

6

35.7

4

44.5

8

48.0

2

47.9

3

47.8

6

09/12/20

16

12:10:00

p.m.

37.3

1

37.8

7

35.4

2

44.9

3

47.1

6

47.8

1

51.9

6

09/12/20

16

12:20:00

p.m.

37.0

9

37.0

8

35.1

7

48.0

2

47.2

7

47.3

6

47.2

8

09/12/20

16

12:30:00

p.m.

37.5

8

37.7

2

35.7

7

48.7

9

48.0

5

48.0

5

54.4

5

09/12/20

16

12:40:00

p.m.

38.0

9

37.9

9

35.5

8

45.9

1

47.5

5

48.3

3

48.0

0

09/12/20

16

12:50:00

p.m.

39.8

3

39.9

2

36.9

0

45.9

9

49.1

0

49.8

3

47.1

4

09/12/20

16

01:00:00

p.m.

39.8

8

39.2

7

37.4

0

52.3

0

49.1

4

49.2

3

46.8

7

09/12/20

16

01:10:00

p.m.

38.8

3

38.8

4

36.4

7

49.3

0

48.4

9

49.1

4

48.2

1

09/12/20

16

01:20:00

p.m.

40.6

3

40.0

4

37.6

2

47.7

7

48.9

9

49.5

4

47.0

7

09/12/20

16

01:30:00

p.m.

39.3

6

39.1

0

37.1

7

49.6

9

48.7

7

49.1

1

61.4

0

09/12/20

16

01:40:00

p.m.

41.7

5

41.9

2

38.4

6

53.2

0

51.1

9

52.0

5

49.2

5

09/12/20

16

01:50:00

p.m.

39.8

5

39.8

8

37.0

0

46.6

3

49.0

3

49.8

1

50.9

7

09/12/20

16

02:00:00

p.m.

39.1

1

39.0

4

36.8

4

47.0

1

48.3

7

49.1

7

57.0

7

09/12/20

16

02:10:00

p.m.

39.9

3

40.3

6

37.1

3

47.4

2

48.8

0

50.1

2

48.8

7

09/12/20

16

02:20:00

p.m.

39.2

6

39.3

6

36.6

2

44.7

2

48.5

2

49.3

6

76.0

7

09/12/20

16

02:30:00

p.m.

41.5

1

41.8

5

37.5

4

44.7

6

49.6

4

51.7

0

64.1

0

09/12/20

16

02:40:00

p.m.

39.1

6

39.4

9

36.4

1

44.5

8

48.0

2

49.3

6

67.7

9

09/12/20

16

02:50:00

p.m.

39.9

5

40.0

7

36.6

9

41.1

4

48.3

1

50.0

5

73.4

4

09/12/20

16

03:00:00

p.m.

38.3

5

38.0

7

35.7

6

48.7

7

46.9

5

48.1

0

79.2

6

09/12/20

16

03:10:00

p.m.

34.3

3

34.5

3

31.4

4

37.4

7

46.9

1

48.7

3

81.7

5


rango de 30 a 50°C.

75



ISSN-2410-3950





Las temperaturas en el módulo

fotovoltaico entre los 30 y los 50°C son las

temperaturas que predominaron en los registro,

incluso se registraron temperaturas en estos

rangos en la que no recibían radiación solar.

09/12/201

6 11:30:00 a.m.

51.80

50.66

52.13

50.23

52.02

09/12/201

6

11:40:00

a.m.

49.3

3

49.4

9

52.0

5

48.4

3

49.1

0

09/12/2016

11:50:00 a.m.

49.91

50.39

53.01

49.88

49.84

09/12/201

6

12:00:00

p.m.

49.1

0

49.7

0

52.3

8

48.9

1

49.0

0

09/12/2016

12:10:00 p.m.

48.79

48.89

51.50

48.14

48.84

09/12/201

6

12:20:00

p.m.

48.6

8

48.8

7

51.6

6

48.0

9

48.5

3

09/12/2016

12:30:00 p.m.

49.46

49.73

52.50

48.89

49.06

09/12/201

6

12:40:00

p.m.

49.4

4

49.4

8

52.0

9

48.7

0

49.3

6

09/12/2016

12:50:00 p.m.

50.87

50.84

53.44

49.94

50.74

09/12/201

6

01:00:00

p.m.

50.6

6

51.0

5

54.0

6

49.9

8

50.1

8

09/12/2016

01:10:00 p.m.

50.36

50.39

53.00

49.25

49.89

09/12/201

6

01:20:00

p.m.

50.7

7

50.7

0

53.6

4

49.6

6

50.4

8

09/12/201

6

01:30:00

p.m.

50.4

3

50.7

5

53.7

1

49.6

8

50.1

9

09/12/201

6

01:40:00

p.m.

53.1

9

53.0

0

55.3

5

51.9

7

53.0

4

09/12/201

6

01:50:00

p.m.

51.0

2

50.8

8

53.5

3

49.8

5

50.7

4

09/12/201

6

02:00:00

p.m.

50.4

0

50.3

1

53.0

5

49.2

7

50.0

9

09/12/201

6

02:10:00

p.m.

51.1

0

50.9

3

53.3

8

49.7

7

50.9

5

09/12/201

6

02:20:00

p.m.

50.5

4

50.7

1

53.0

6

49.5

8

50.4

8

09/12/201

6

02:30:00

p.m.

52.2

1

53.2

4

53.5

5

50.4

6

52.4

8

09/12/201

6

02:40:00

p.m.

50.3

7

50.4

9

52.4

2

49.0

3

50.2

6

09/12/201

6

02:50:00

p.m.

50.7

1

50.3

8

52.7

1

49.4

3

50.9

3

09/12/201

6

03:00:00

p.m.

48.9

9

49.1

8

51.5

1

48.0

8

49.0

0

09/12/201

6

03:10:00

p.m.

49.3

4

62.7

2

50.8

9

48.2

5

49.8

3

09/12/201

6

03:20:00

p.m.

50.5

2

65.3

0

52.1

8

49.3

6

50.7

0


rango > a 50°C.

Las celdas solares con temperaturas arriba

de los 50°C se reparten entre las horas de

mayor incidencia solar que comprende de las

11:30 a.m, a las 16:40

Conclusiones

La temperatura promedio que nos arrojó el

modulo fotovoltaico con los 30 sensores

dispuestos en 30 células de las 60 que lo

componen fue de ≈ 25.65°C en el trascurso del

día.

Diversos factores son los que afectan la

temperatura de los módulos instalados, entre

ellas se analizaron:

1. La temporada de verano en la zona de

la investigación.

2. La temperatura del panel que llega a

incrementarse por arriba de los 50°C

3. Temperaturas de hasta 30°C por las

noches.

4. La inclinación del módulo fotovoltaico,

20°, orientación sur.

5. El remanente de calor de la losa que

transfiere al módulo fotovoltaico.

6. La temporada de lluvias que hace

descender la temperatura de los

paneles.

7. La nubosidad.

Las horas solares pico que se registran en la

entidad son las siguientes.(R. Almanza S)

Tabla 8 Horas solares pico para la región de Bahía de

Banderas, Nayarit

76



ISSN-2410-3950





Para el mes en que se realizó el estudio el

promedio de horas solares se encuentran en el

orden de las 5.65 al día, con lo que las

temperaturas que mayoritariamente se

encuentran en ese rango de producción del

sistema fotovoltaico son las encontradas entre

los 30 y los 50°C, por lo que el sistema trabaja

en regiones superiores a las que el fabricante

especifica un eficiencia de 15.29%, a una

temperatura de 25°C.

Agradecimientos

Los autores desean expresar su agradecimiento

a la Universidad Tecnológica de Bahía de

banderas por las facilidades otorgadas para la

realización del presente trabajo y a los

integrantes del cuerpo académico de Innovación

y Aplicación Tecnológica, por los comentarios

y sugerencias que permitieron la mejora del

artículo.

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Febrero de 2012). Obtenido de

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79



Simulación de la fermentación de jugo de betabel usando diferentes

concentraciones de biomasa

VILLEDA-CARPIO, Yaneli*†, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué y JIMENEZ-

ISLAS, Donaji.


___________________________________________________________________________________ Resumen

En el presente trabajo se estudio el efecto de una capa de

aceite para la producción de etanol a partir de jugo de

betabel (Beta vulgaris L.) utilizando la cepa

Saccharomyces cerevisiae ITD00196. La fermentación

alcoholica fue posible adicionándole una capa de aceite

para tener un ambiente anaerobio. Los datos cinéticos

obtenidos fueron ajustado a los modelos: logísticos, y

Luedeking-Piret para el crecimiento microbiano y la

producción de etanol, respectivamente. Las ecuaciones

usadas en el modelo indican que con una concentración

inicial de biomasa de 0.008 g/L, la fase de retardo fue

de 6 h, mientras tanto con una concentración de 0.15 g/L

de biomasa la fase de retardo fue de 2 h. Con base a los

datos obtenidos se presentó una velocidad específica de

crecimiento (µ) de 0.37 h-1

, con una productividad que

va desde 0.56 a 0.95 g/L de etanol en función de la

concentración inicial de biomasa.

Fase inmisible, Etanol, Beta Vulgaris, anaerobia

Abstract

In this paper was analyzed the effect of oil on production

of ethanol from beet juice (Beta vulgaris L.) using

Saccharomyces cerevisiae strain the

ITD00196. The logistic equation and Luedeking - Piret

are used in microbial growth and ethanol production

respectively. Saccharomyces cerevisiae strain ITD00196

the that use in this study is capable of producing ethanol

with a layer of oil which makes the fermentation is

anaerobic. The equations used in the model indicate that

with 0.008 g / L is the lag phase of 6 hours while the

concentration of 0.02 g / L is the lag phase 0 h. However

presents a specific growth rate of 0.37 h -1

, with a

productivity ranging from .56 to .95 g / L ethanol

depending on the initial concentration of biomass.

Immiscible phase, Ethanol, Beta Vulgaris

Citación: VILLEDA-CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ, Josué y JIMENEZ-ISLAS,

Donaji. Simulación de la fermentación de jugo de betabel usando diferentes concentraciones de biomasa. Revista de

Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 78-83




79



ISSN-2410-3950


VILLEDA-CARPIO, Yaneli, TORRES-CRUZ, Brenda, BENEGAS-SÁNCHEZ,

Josué y JIMENEZ-ISLAS, Donaji. Simulación de la fermentación de jugo de

betabel usando diferentes concentraciones de biomasa. Revista de Sistemas

Experimentales 2016

Introducción

El uso indiscriminado de los combustibles

fósiles (petróleo, gas natural y carbono

principalmente) ha traído consigo una serie de

problemas que afectan a todo el planeta y a los

seres humanos como contaminación y crisis

económica.

Los combustibles fósiles son

considerados como el motor del mundo actual.

En este sentido, surgen formas de energía

alterna: eólica, solar, hidrogeno, biogás,

biodiesel y el bioetanol (García 2008).

El etanol se perfila como un recurso

energético potencialmente sostenible, de alta

viabilidad, que puede ofrecer ventajas

medioambientales y económicas a largo plazo

puesto que a diferencia del petróleo, este se

obtiene a partir de microorganismos, el etanol

es producido por síntesis química a partir del

etileno y por vía biológica a partir de la

fermentación de los azucares; su principal

aplicación es en la industria de las bebidas

alcohólicas y en últimas décadas se plantearon

tecnologías para usarlo como aditivo o

sustitutos de la gasolina.

El uso de aceite comestible en el proceso

de la fermentación alcohólica permite que el

medio se vuelva anaerobio ayudando a esta a

tener una mejor transferencia de masa.

Los modelos matemáticos tienen un

importante rol en la optimización de los

procesos de producción de etanol (Olivera et

al., 2016). El desarrollo de modelos

estructurados permite realizar el bosquejo de

los escenarios de fermentación y con ello

ahorrar en tiempo y recursos para la

experimentación.

En el presente trabajo se tiene como

objetivo la simulación de la fermentación del

jugo de betabel con diferentes concentraciones

de biomasa adicionándoles una fase inmiscible

que permita tener una mejor transferencia de

masa.

Materiales y métodos

Saccharomyces cerevisiae

Se utilizó la cepa Saccharomyces cerevisiae

ITD00196 (proporcionada por el Instituto

Tecnológico de Durango) en medio YPD con

los los siguientes componentes (g/L): extracto

de levadura 10, Tryptone 20, glucosa 20 y agar

16 a una temperatura de 30°C.

Para el crecimiento de la cepa se

utilizaron matraces de 250 mL, que contenía

100 mL del medio liquido YPD estéril, el

matraz se colocó en el Shaker y se incubo por

12 h, 130 rpm y 30°C. Una vez transcurrido el

tiempo del cultivo, se realizó la cuantificación

de biomasa mediante cámara Neubauer. se

transfirió el volumen necesario de cultivo a

100mL del medio YPD estéril inoculando

y se incubo por 12h, 130rpm y

30°C; en cuanto termino el tiempo de

crecimiento, se determinó la concentración en

la cámara de Neubauer que se usó como

inoculo para el jugo de betabel con una

concentración inicial de .

Sustrato

Se utilizo betabel (Beta vulgaris L.) proveniente

de diferentes sitios de cultivo. El material fue

lavado con detergente comercial y agua

directamente del grifo, posteriomente se

disminuyo su tamaño para introducirse a un

extractor de jugos obteniendo asi el sustrato

(jugo) y el gabazo.

80



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

El jugo fue almacenado en resipientes de

1L y preservado a 4°C para prevenir posible

degradación.

Fermantacion alcohólica Beta vulgaris L.

El proceso de Fermentación de (Beta vulgaris

L.) fue realizada en matraces Erlenmeyer de

500 mL.

Cada matraz contenía 200 mL de jugo

con una capa de aceite comestible de 50 mL

obteniendo así inmisibilidad en la fermentación.

Posteriormente fue llevado a esterilización en

autoclave teniendo como condiciones (15min,

121°C; 1 kg/cm2).

Cada matraz fue inoculado con una

concentracion de fueron

incubados sin agitación a una temperatura de

30°C.

Se tomaron muestras con intervalos de 2

h para determinar el crecimiento de biomasa.

Al término de la fermentación las muestras

obtenidas se conservaron a 4°C para

posteriormente llevar acabo el análisis de la

producción de etanol. Cada experimento fue

realizado por duplicado.

Método Analitico

Las ecuaciones logísticas y Luedeking -Piret se

desarrollan para obtener el crecimiento y la

síntesis de producto. La ecuación 1 se obtiene

por integración de la ecuación logística,

mientras que la ecuación 2 se obtiene

dividiendo las ecuaciones Luedeking -Piret,

respectivamente.

Los datos cinéticos se utilizaron para

adaptarse a los parámetros cinéticos obtenidos

en el experimento utilizando la función Solver

de Microsoft Excel Soft Corporation. El

programa de simulación fue diseñado para

lograr el error normalizado mínimo utilizando

la función Solver. La ecuación 1 y 2 se

ajustaron a los datos experimentales para

determinar los parámetros cinéticos para el

crecimiento microbiano (μmax y Xmax) y la

producción de etanol (α y β). Los parametros

cinéticos de la cepa fueron estimados con μmax

=0.37, Xmax=3.15 g/L y α=5.32.

Resultados

Se evaluó el crecimiento de la biomasa y la

producción de etanol durante la fermentación,

utilizando como sustrato el jugo de Beta

vulgaris L.l a cepa S. cerevisiae ITD00196 a

una temperatura de 30°C.

Los perfiles de producción de etanol

por S. cerevisiae ITD00196 con una fase

inmiscible durante la fermentación a 30°C, se

muestran en en el gráfico 1 donde se puede

observar la máxima producción de etanol (16.5

g/L). Las graficas 2-4 muestran la simulación

con diferentes concentraciones iniciales de

biomasa mostrando asi el comportamiento de la

cepa S. cerevisiae ITD00196.

(1)

(2)

81



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

Gráfico 1 Producción de etanol por S. cerevisiae

ITD00196 con fase inmiscible a una temperatura de

30°C. • Ethanol, ∆ Modelo.

Gráfico 2 Modelado cinético de la fermentación de

jugo de Beta vulgaris L. con 0.008 g/L de S.

Cerevisiae ITD00196 a una

temperatura de 30°C. • Producto, ∆ Biomasa.

Gráfico 3 Modelado cinético de la fermentación de jugo

de Beta vulgaris L.con 0.01 g/L de S.

Cerevisiae ITD00196 a una

temperatura de 30°C. • Producto, ∆ Biomasa.

Gráfico 4 Modelado cinético de la fermentación de

jugo de Beta vulgaris L.con 0.015 g/L de S. Cerevisiae

ITD00196 a una temperatura de 30°C. • Producto, ∆

Biomasa.

Por lo tanto, el tiempo de inicio de la

producción de etanol fue similar al tiempo de

fase de retardo demostrando que el etanol es un

producto asociado al crecimiento.

Los parámetros cinéticos muestran que

existe un incremento similar en crecimiento

como en producto. Sin embargo mostraron

valores µmax y Xmax favorables debido a la cepa.

Tabla 1 Los parámetros cinéticos estimados por el

modelo matemático utilizando datos experimentales.

De acuerdo a las diferentes

concentraciones de biomasa utilizada se obtuvo

una productividad (Qp) 0.53, 0.66 y 0.95 g/L/h

con respecto a los datos simulados.

0

5

10

15

20

0 10 20 30

Eth

ano

l/(g

/l)

Tiempo en (h)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 2 4 6 8 10

Pro

du

cto

(g/

L)

Tiempo (h)

0

0,5

1

1,5

2

0 2 4 6 8 10

Pro

du

cto

(g/

L)

Tiempo (h)

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8 10

Pro

du

cto

(g/

L)

Tiempo (h)

Temperatura 30°C

S. cerevisiae

ITD00196

Con aceite

µmax

Xmax

α

β

0.37

3.15

5.32

0

82



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

µmax= Tasa máxima de crecimiento

especifico (h-1), Xmax=máxima concentracion

de biomasa (g/L), α= coeficiente de crecimiento

asociada para el producto (g de etanol por g de

biomasa), β= coeficiente no asociado a

crecimiento para el producto (g de etanol por g

de biomasa por h), Qp= la productividad

volumétrica de etanol (g de etanol por L por h).

No estimado por el modelo.

Las condiciones de temperatura y la fase

inmiscible durante la fermentación buscan

obtener un proceso totalmente anaerobio y la

mayor producción de etanol. Por otro lado Beta

vulgaris L. es un candidato propicio para ser

considerado como sustrato alterno a los

materiales lignocelulosicos como pajas y

gabazos sin embargo no se considera como un

alimento y solo es utilizado como pinturas

artificiales para la industria.

El modelo cinético favorece el desarrollo

de escenarios diversos sin necesidad de llevar a

cabo experimentos adicionales. Las condiciones

de crecimiento del microorganismo favorecen

la formación de producto, se tiene que con

incremento de la concentración de biomasa se

reduce la fase de retardo gráfico 4.

La velocidad específica de crecimiento es

similar a la reportada por diversos autores

usando S. cerevisiae. Boudjema et al. (2015)

encontró similares resultados de la asociáción

de producto a crecimiento usando lactosuero

dulce fermentado con S. cerevisiae DIV13-

Z087C0VS.

Las condiciones de fermentación usando

fases inmiscibles favorecen la agitación y por

ello se incrementa la transferencia de masa en

la fermentación.

Conclusión

Las simulaciones utilizando los modelos

matemáticos logístico y Luedeking-Piret

muestran que con diferentes concentraciones

iniciales de biomasa se observan diferentes

comportamientos de acuerdo al crecimiento y la

producción de etanol.

Estos modelos ayudan a conocer el

comportamiento de la cepa e ir interactuando

con diferentes concentraciones de biomasa. El

modelo cinético favorece el desarrollo de

escenarios diversos sin necesidad de llevar a

cabo experimentos adicionales. La adicion de

una fase inmisible favorecen la agitación y se

incrementa la transferencia de masa en la

fermentación.

Agradecimientos

Al CONACYT proyecto C-291045.33/2016,

Ciencia básica proyecto 223444. Al proyecto

del TECNM 2016.

Referencias

Boudjema K., Fazouane-Naimi F., Hellal A.

(2015). Optimization of the bioethanol on sweet

cheese whey by Saccharomyces cerevisiae

DIV13-Z087C0VS using response surface

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Jatinangor. 141-144.

83



ISSN-2410-3950





Experimentales 2016

García M. C. (2008) Producción de biodiesel

mediante fermentación en estado sólido de

compuestos lignocelulósico derivados del

gabazo de remolacha. Corpoica. 9, 66-72.

Jiménez Islas D., Abreu Corona A. (2012)

obtención de azucares fermentables mediante

hidrolisis acida de Beta vulgaris L. Rev. Int.

Contam. Ambie. 28(2), 151-158.

Jiménez islas D., Páez-Lerma J., Soto-Cruz

N.O y Gracida J. (20014). Modelling of ethanol

production from red beet juice by

Saccharomyces cerevisiae under termal and

acid stres conditions. Food Technol. Biotechnol

52(1), 93-100.

Oliveira S., Oliveira R. C., Tacin M. V., Gattás

E. Al. (2016). Kinetics modeling and

optimization of a batch ethanol fermentation.

Bioprocessing & Biotechniques. 6, 1- 7.

Peña C. y Arango R. (2009). Evaluacion de la

producción de etanol utilizando cepas

recombinantes de Saccharomyces cerevisiae a

partir de melaza de caña de azúcar.

Biotecnologia vegetal. 153-161.

Soto O., Favela E., Saucedo G. (2002).

Modeling of growth, lactate consumption, and

volatile fatty acid production by Megasphaera

elsdenii cultivated in minimal and complex

media. Biotechnol. 18, 193-200.

84



Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un banco de celdas de

combustible PEM

MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador*†, GARCÍA-GALLEGOS, Jesús, DUARTE-MOLLER, José y

OLIVARES-RAMÍREZ, Juan.


___________________________________________________________________________________ Resumen

Las celdas de combustible son dispositivos

electroquímicos eficientes que además de producir

electricidad y calor, producen agua como subproducto

durante su operación, pero poco se ha investigado acerca

de la producción de agua a partir de una celda de

combustible. En este proyecto se diseñó y construyó una

celda de combustible de membrana de intercambio

protónico (PEM) para determinar y comparar con datos

experimentales la cantidad de agua producida por ésta. Se

investigo acerca de los antecedentes en las metodologías

de diseño de celdas de combustible de intercambio

protónico. Seguidamente se dio paso a la etapa de diseño,

la cual involucró cálculos para la determinación del agua

producida, análisis de gráficos y tablas, cálculo y

selección de materiales e insumos necesarios para la

construcción de la celda de combustible. Posteriormente

se llevó a cabo el modelado de la celda, en donde se pudo

visualizar el comportamiento de la celda de combustible

bajo diferentes condiciones de operación, se efectuaron

mediciones del voltaje generado y corriente que circula

por la celda de combustible y finalmente se compararon

los resultados teóricos obtenidos con los experimentales

de una celda de combustible de características similares.

Celda de combustible, membrana de intercambio

protónico (PEM), sistema de humifificación

Abstract

Fuel cells are efficient electrochemical devices that

besides producing electricity and heat, produce water as a

byproduct during operation, but little research has been

done on the production of water from a fuel cell. This

project was designed and built a fuel cell proton

exchange membrane (PEM) to determine and compare

experimental data with the amount of water produced by

it. He researched about the background in design

methodologies fuel cell proton exchange. Then he gave

way to the design stage, which involved calculations for

determining the water produced, analysis of graphs and

tables, calculation and selection of materials and supplies

needed for the construction of the fuel cell. Parallel was

carried out modeling of the cell, where they could

visualize the behavior of the fuel cell under various

operating conditions, measurements of generated voltage

and current flowing through the fuel cell were made and

finally the results were compared obtained with

experimental theoretical a fuel cell similar characteristics.

Fuel Cells, proton exchange membrane (PEM),

humidification system

Citación: MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador, GARCÍA-GALLEGOS, Jesús, DUARTE-MOLLER, José y OLIVARES-

RAMÍREZ, Juan. Diseño y construcción de un sistema de humidificación para un banco de celdas de combustible PEM.

Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 84-90




85



ISSN-2410-3950


MARTÍNEZ-CRUZ, Salvador, GARCÍA-GALLEGOS, Jesús, DUARTE-

MOLLER, José y OLIVARES-RAMÍREZ, Juan. Diseño y construcción de un

sistema de humidificación para un banco de celdas de combustible PEM. Revista

de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

La distribución de la temperatura y la humedad

en una celda de combustible de membrana de

intercambio de protones (PEM) son factores

críticos que influyen en el rendimiento de la

celda. El contenido de agua y de la

conductividad de la membrana de intercambio

de protones afecta directamente el rendimiento

(Le Canut, Abouatallah, & Harrington, 2006)

(Hinds, Stevens, Wilkinson, de Podesta, & Bell,

2009), porque el exceso de agua en el canal de

flujo puede causar inundaciones y evitar la

difusión del gas: Las temperaturas

excesivamente altas o bajas pueden causar la

deshidratación de la membrana de intercambio

de protones, y empeorar el rendimiento de la

celda de combustible. Liu demostró que la

acumulación de columnas de agua líquida en

los canales de flujo del cátodo reduce el área de

reacción electroquímica efectiva, lo que limita

la transferencia de masa y empeora el de

rendimiento de las celdas (Liu, Guo, & Ma,

2006). Wang señaló que la gestión del agua en

estado líquido afecta significativamente el

desempeño PEM, especialmente en alta

densidad de corriente (Wang & Zhou, 2011).

Trabold aplica imágenes de neutrones para la

investigación de la distribución de las

inundaciones de agua, la detección in situ la

variación en la cantidad de agua que se produce

en una celda de combustible en funcionamiento

(Wang & Zhou, 2011). Las pruebas realizados

por Zhang reveló que el rendimiento empeora

gradualmente a medida que la humedad relativa

disminuyó desde 100% a 25% (Zhang, y otros,

2008). La mayoría de las investigaciones de

tensión y la humedad en las PEMFC implican

la inserción de sensores pequeños en las celdas.

Por ejemplo, David examinó la distribución de

la temperatura en las celdas de combustible que

utilizan fibra Bragg una tecnología de división.

El resultado reveló una diferencia entre

las temperaturas de la entrada y la de salida de

1°C (David, Wild, Hu, & Djilali, 2009). Inman

midió “in situ” la temperatura de reacción en

una celda de combustible en funcionamiento

colocando cinco sensores de temperatura de

fibra en ella (Inman, Wang, & Sangeorzan,

2010). Hinds emplean sensores de temperatura

y humedad comerciales, con una gran área

activa, en una sola celda PEM (Hinds, Stevens,

Wilkinson, de Podesta, & Bell, 2009). Wang

utiliza un dispositivo de infrarrojos para medir

la distribución de la temperatura exterior con

diferentes condiciones de operación (Wang,

Guo, & Ma, 2006). Karimi observa la

distribución de agua dentro de las celdas de

combustible. Sus resultados de las simulaciones

revelaron que el aumento de la humedad

promovió inundaciones de agua (Karimi,

Jafarpour, & Li, 2009). Shimpalee realizó

variaciones simuladas de temperatura,

humedad, y la corriente en una PEM. Sus

resultados demostraron que las inundaciones de

agua afecta la reacción de la celda de

combustible, reduciendo indirectamente la

temperatura y corriente (Shimpalee & Zee,

2007). Con este trabajo se pretende determinar

y hacer una comparación con datos

experimentales de la cantidad de agua

producida por una celda de combustible de

membrana de intercambio protónico. Para tal

fin, los objetivos específicos están enmarcados

en el diseño y construcción de una PEM, la

determinación teórica de la cantidad de agua

producida por ésta bajo diferentes condiciones

de operación y la validación de los resultados

(cantidad de agua producida) comparándolos

con los resultados experimentales existentes de

una celda de combustible de características

similares.

86



ISSN-2410-3950






Funcionamiento de la Celda de Combustible

Las celdas de combustibles son dispositivos

electroquímicos que convierten la energía

contenida en un combustible directamente en

electricidad, sin la necesidad de pasar por una

combustión previa.

Se podría pensar que las baterías

normales y de uso comercial son también

dispositivos generadores de corriente eléctrica,

pero la diferencia principal es que las celdas de

combustible mantienen un suministro constante

de electricidad siempre que exista aporte de

combustible, mientras que las baterías cesan su

producción cuando se agotan los reactivos

químicos que contienen. Sin embargo, existen

baterías que se pueden recargar con electricidad

una vez agotadas.

Desde este punto de vista, los motores de

combustión actuales podrían ser también

considerados como generadores de electricidad,

pero esto no sucede de forma directa, sino que

se la energía contenida en el combustible debe

pasar por varias transformaciones antes de

convertirse en electricidad; este proceso se

resume en el siguiente esquema:

E. Química→ E. Térmica→ E. Mecánica→

E. Eléctrica

La celda de combustible transforma

directamente en electricidad la energía

contenida en un combustible, mediante un

proceso isotermo que aprovecha la entalpia

libre interna del combustible a temperatura de

operación.

E. Química→ E. Eléctrica

De este modo, no está afectada por las

limitaciones que imponen el segundo principio

de la termodinámica y el ciclo de Carnot.

Figura 1 Esquema general de funcionamiento de una

celda PEM. Se pueden observar los diferentes elementos

que intervienen en la reacción electroquímica, así como

los componentes básicos de la estructura (electrodos,

electrolito, placas bipolares y membranas difusoras).

(Vishnyakov, 2006)

Para el desarrollo experimental y la

fabricación de la MEA donde se busca probar el

modelo obtenido. El ensamble debe fabricarse

de tal forma que la estructura de las capas

permita a los gases llegar a los sitios reactivos,

así que se desea que la MEA cuente con alta

conductividad eléctrica, alta conductividad

iónica para los protones y fácil remoción del

agua líquida formada en la reacción catódica. El

Ensamblaje Membrana-electrodo o MEA

(Membrane Electrode Assembly) puede

considerarse el corazón de una PEM. La MEA

está típicamente entre las dos placas bipolares.

La MEA consta de la membrana de intercambio

protónico en su centro, las capas de catalizador

a cada lado y, en sus extremos, las GDL (Gas

Difussion Layers) las capas de difusión de gas.

Estos componentes se fabrican típicamente por

separado, y son compactados en una sola

unidad a altas presiones y temperaturas. El

resultado final tiene un espesor de menos de un

milímetro (KREUER., 2001).

87



ISSN-2410-3950






Fabricación del humidificador

Un humidificador tiene la función de mantener

constante la humedad relativa del combustible y

oxidante, muy importante en una celda de

combustible, se diseñó un modelo que se

pudiera construir y así realizar un prototipo que

nos ayude a elevar o disminuir la humedad

relativa de los gases utilizados en una celda de

combustible PEM, para ello fue necesario

utilizar Solid Works versión 2014 para realizar

diferentes diseños los cuales consisten en un

serpentín que nos ayuda a incrementar el

recorrido del gas, y en algunos casos también

cuenta con un depósito de agua que nos

pudiera permitir tener agua de ser necesario. El

proceso para la fabricación de nuestro sistema

se explica de manera general en el siguiente

diagrama de flujo.

Figura 2 Diagrama de flujo para la fabricación de

nuestro prototipo.

Fabricación del ensamble

El ensamble fue fabricado con Nafion 115, el

cual fue sumergido en peróxido de hidrógeno

(H2O2) al 5% durante 1 hora, posteriormente

enguagada en agua des-ionizada en ebullición

por 1 hora, la activación se realizó en ácido

sulfúrico 1 Molar durante 3 horas y nuevamente

enjugada en des-ionizada en ebullición por 30

minutos. La tela de carbón fue recortada a 3.1 x

3.1 cm, tratada con teflón GDLLT 1200-W y

secada en una mufla por 30 minutos a 100°C.

La tinta catalica fue elaborada con una

solución acuosa de nafión líquido 115 al 5%,

Platino-Vulcan a una razón de 0.5 mg/cm2 de Pt

y aplicado mediante la técnica de brushing.

Para el ensamble de la membrana electrodo se

realizó en una prensa con 2 Toneladas de

presión a una temperatura de 75 °C durante 5

minutos.

Resultados

La variación de humedad no dependió

directamente de la temperatura de las placas,

también fue función de la posición, a las cuales

se les llamo posición normal y posición

invertida como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Sistema de caracterización de celdas de

combustible con humidificador construido acoplado; a)

placas, b) celda de combustible, c) sensor de humedad y

temperatura, d) sistema de adquisición de datos y e)

Peltiers para absorción o adición de calor.

Los resultados del comportamiento de la

humedad relativa muestran que es posible la

estabilización de la humedad por lo cual el

combustible adicionado a la celda tipo PEM

estará bajo control. En la grafica 1 los primeros

9 minutos es el decremento de la humedad

relativa, aplicando 20V a la peltier y

absorbiendo calor, después tiende a

estabilizarse siempre y cuando la temperatura

no siga bajando, cuando la temperatura es

estable la humedad relativa también es estable.

88



ISSN-2410-3950






Grafico 1 Comportamiento de la HR con respecto a la

temperatura posición normal e invertida del serpentin.

Una vez que se tiene la humedad relativa

estable con la posición normal del serpentin,

determinamos el mejor flujo como se puede

observar en la siguiente grafica 2.

Grafico 2 Variación del flujo en la celda de combustible,

donde es la misma cantidad de flujo tanto para el

oxidante como para el combustible.

El mejor flujo desarrollado fue de 27.8

mL min-1

, debido a que logran mayores

potencias, sin embargo comparado con el flujo

de 34.8 mL min-1

, este es aun mejor pero es

poca la diferencia con el anterior optando por

descartarlo ya se despediciería tanto

combustible como oxidante.

Una vez que se determinó el flujo de

trabajo, se caracterizó la celda de combustible

para determinar la estequiometria óptima. En la

figura 8 se muestra el comportamiento dando

como resultado que la mejor combinación fue

de 27.8 mL min-1

para el oxidante y de 69.7 mL

min-1

para el combustible, de acuedo a la teória

esto debería ser una porporción del doble, el

resultado experimental muestra que la mejor

relación de no del doble si no de 2.5.

Grafico 3 Variación del flujo estequimetrico.

Una ves definida la estequiometria optima

se realizá la verificación de la hipótesis del

presente trabajo. La grafica 4 muestra que el

mejor comprtamiento se obtine con una

humedad del 50%. Al tener una humedad del

100% rápidamente se inundaran los canales de

agua impidiendo pricipalmente el flujo del

oxidante.

89



ISSN-2410-3950






Grafico 4 Determinación de la mezcla segun la mejor

configuración estequiometríca en la MEA

Agradecimiento

Este trabajo se pudo realizar gracias al apoyo de

PRODEP/103.5/13/10573 (JHGG)

Conclusiones

El contexto original de este trabajo fue el de

diseñar y desarrollar un sistema en el que

pudiéramos controlar la humedad y

temperaturas de los flujos en una celda de

combustible tipo PEM, para ello, se realizaron

los diseños para absorción o des absorción de

humedad quedando finalmente un canal

serpentín y un depósito para el agua dentro de

un rectángulo con un área de 74mmX190mm.

Los resultados de la simulación muestran que

se puede obtener gradientes de temperatura de

hasta 14.3 °C. El humidificador diseñado debe

de cambiar de posición y las Peltier podrán

absorber o des-absorber calor, dependiendo de

la humedad necesaria. La parte experimental

realizada muestra que podemos variar la

humedad relativa en nuestro sistema desde 50%

hasta 100%.

Tomando en cuenta los resultados

obtenidos de manera experimental, así como los

de las simulaciones realizadas para el diseño de

este prototipo, es posible realizar de manera

económica y eficiente, un sistema de control de

humedad y temperatura para la medición de

celdas de combustible tipo PEM, donde, en

comparación con la estación de pruebas,

podemos modificar nuestro sistema de manera

más sencilla dependiendo de nuestras

necesidades. Esto lo vuelve mucho más flexible

y educativo si se implementa en una institución.

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91



Propuesta de Diseño Aerodinámico para Reducción de Turbulencia en la Estela de

Rotación en Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT

MOLINERO, Daniel*†, LÓPEZ, Víctor y CERVANTES, Alberto.


___________________________________________________________________________________ Resumen

Se presenta una propuesta de diseño aerodinámico para la

reducción de turbulencia en la estela de rotación de

turbinas eólicas de eje horizontal. La propuesta surge del

análisis de diversas alternativas para la modificación de

los álabes de una turbina diseñada bajo la teoría BEM

(Teoría de Momento-Álabe). Se emplearon diversos

programas de cómputo para el diseño, modelado y

simulación de las diversas propuestas. Los resultados

experimentales de anemometría de hilo caliente en túnel

de viento utilizando un modelo fabricado con tecnología

de impresión 3D, son comparados con los obtenidos en

CFD (Dinámica de Fluidos por Computadora). Como

trabajo adicional, se integró un sistema de medición de

velocidad de viento para caracterización del túnel de

viento empleado. Pruebas adicionales para obtención de

líneas de corriente mediante un generador de humos y

medición de torque de arranque son también llevadas a

cabo. Los resultados experimentales y CFD presentan

buena concordancia, con lo cual se logró la validación de

la metodología empleada para el análisis. Como resultado

del análisis, se demostró que es posible lograr un diseño

con baja generación de turbulencia y una potencia de

salida aceptable.

Turbina, turbulencia, alabes, optimización,

simulación

Abstract

A proposal for aerodynamic design in order to reduce

turbulence in the wake of rotation horizontal axis wind

turbines is presented. The proposal arises from the

analysis of various alternatives for the modification of

turbine blades designed under the BEM theory (Blade-

Element Theory). Various computer programs for design,

modelling and simulation of various proposals were

employed. The experimental results of hot wire

anemometry in wind tunnel using a model made with 3D

printing technology are compared with those obtained in

CFD (Computer Fluid Dynamics). As additional work, a

measuring wind speed system for wind tunnel

characterization was integrated. Additional tests for

obtaining streamlines using a smoke generator and

starting torque measurement are also carried out.

Experimental and CFD results show good agreement,

thereby validation of the methodology used for the

analysis was achieved. As a result of the analysis, it was

shown that it is possible to achieve a design with low

generation of turbulence and an acceptable output power.

Turbine, turbulence, blades, optimization, simulation

Citación: MOLINERO, Daniel, LÓPEZ, Víctor y CERVANTES, Alberto. Propuesta de Diseño Aerodinámico para

Reducción de Turbulencia en la Estela de Rotación en Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT. Revista de Sistemas





92



ISSN-2410-3950


MOLINERO, Daniel, LÓPEZ, Víctor y CERVANTES, Alberto.

Propuesta de Diseño Aerodinámico para Reducción de Turbulencia en la

Estela de Rotación en Turbinas Eólicas de Baja Capacidad HAWT.


Introducción

Dada la tendencia hacia el uso de fuentes de

energía renovable la (SENER, 2012) encontró

que entre 2006 y 2011 la capacidad de

producción global de energía eólica creció a un

ritmo de 27% anual. De acuerdo a lo presentado

por la consultora PWC para la Asociación

Mexicana de Energía Eólica, el potencial eólico

nacional se estimó en al menos 50,000 MW

considerando factores de planta de 20%.

(AMDEE, 2012).

El equipo empleado para la conversión de

energía de viento en energía eléctrica es la

turbina eólica, que en el caso de turbinas de eje

horizontal está compuesta por los álabes, hub y

el pedestal. Debido a diversos factores, la

eficiencia en turbinas eólicas se aleja del límite

teórico de eficiencia máxima. Uno de estos

factores es la turbulencia en la corriente de

viento generada en la zona inmediata posterior

a una turbina; una turbina en funcionamiento en

esta estela, o dentro de un parque eólico donde

los efectos de varias estelas pueden ser sentidos

simultáneamente, producirá menos energía y

sufrirá mayor carga estructural que una turbina

que funciona en la corriente libre (Burton,

Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001).

Diversos estudios se han realizado para la

optimización de los álabes con el fin de

aumentar el aprovechamiento del recurso eólico

hasta su límite teórico, entre ellos (Sharifi &

Nobari, 2013), (Liu, Wang, & Tang, 2013) y

(Singh & Ahmed, 2013), así como evaluar el

comportamiento de la estela de rotación, su

efecto en el desempeño de la turbina y la

turbulencia asociada a la estela de rotación,

como lo realizado por (Sicot, Devinant, Loyer,

& Hureau, 2008), (Crespo & Hernandez, 1996)

y (Bastankhah & Porté-Agel, 2014).

El presente trabajo está encaminado a

desarrollar un diseño aerodinámico que reduzca

la generación de turbulencia en turbinas eólicas

de eje horizontal de baja capacidad.

También se presenta la metodología llevada a

cabo para la validación de un modelo

computacional para análisis de la estela de

rotación.

Diseño Aerodinámico de Turbinas Eólicas de

Eje Horizontal – Teoría BEM

En el diseño aerodinámico de álabes de turbinas

eólicas de eje horizontal se emplea la teoría

BEM (Blade Element Momentum). Sin

embargo, de acuerdo a (Sørensen, 2011)

modelos numéricos más avanzados basados en

las ecuaciones promedio de Navier-Stokes

(RANS) se están aplicando ampliamente y

comienzan a complementar la teoría BEM, por

ejemplo, al analizar la estela de rotación o la

interacción entre las turbinas en parques

eólicos. El método BEM fue introducido por

(Glauert H. , 1953a) (Glauert H. , 1953b)

combinando la Teoría de Momento con la

Teoría de Elemento Alabe, para determinar las

cargas locales a lo largo de la envergadura del

álabe.

Figura 1 Anillo anular descrito por una sección del

elemento álabe. Fuente: (Burton, Sharpe, Jenkins, &

Bossanyi, 2001).

93



ISSN-2410-3950






El método supone que todas las secciones

a lo largo del rotor son independientes y pueden

ser tratadas por separado. Así, las fuerzas de

sustentación y arrastre a las que se somete cada

elemento son responsables de los cambios de

momento axial y angular del aire que pasa a

través del anillo que describe el álabe al girar

(Figura 1). Por lo tanto, en una sección radial

dada, una diferencia en la velocidad del viento

se genera desde corriente arriba hasta lo

profundo de la estela, creando una caída de

presión en la sección del alabe. (Burton,

Sharpe, Jenkins, & Bossanyi, 2001) y

(Manwell, McGowan, & Rogers, 2009).

La teoría BEM basa su análisis en un

triángulo de velocidades, donde los catetos

corresponden a la velocidad del viento U∞ y la

velocidad tangencial del álabe Ωr, mientras que

la hipotenusa se conoce como la velocidad

relativa W.

Así se tiene que:

(1)

Donde a y a’ son los factores de

inducción de flujo axial y radial

respectivamente y Ω la velocidad de rotación.

Figura 2 Triangulo de velocidades en una sección del

elemento álabe. Fuente: (Burton, Sharpe, Jenkins, &

Bossanyi, 2001).

En la Figura 2 se puede observar la

relación entre los ángulos de ataque α, de paso

β e incidencia ϕ con las velocidades y fuerzas

actuantes en una sección transversal del álabe.

De este modo se tiene que:

(2)

Finalmente, las ecuaciones de cambio de

momento axial y angular para diseño que se

utilizan en la teoría BEM son las siguientes:

2 (3)

(4)

Donde N es el número de alabes, c la

cuerda del alabe, Cl el coeficiente de

sustentación y Cd el coeficiente de arrastre. La

velocidad específica λ y la relación de radios μ

están definidas como:

(5)

(6)

La solución para obtener los factores

óptimos de inducción de flujo axial a y radial

a’, usando coeficientes de sustentación Cl y

arrastre Cd de perfiles aerodinámicos requiere

un proceso iterativo. En tal caso, las siguientes

ecuaciones son convenientes ya que, usando

valores previos de los factores de inducción de

flujo proporcionan nuevos valores para cada

iteración. (Burton, Sharpe, Jenkins, &

Bossanyi, 2001).

(7)

(8)

Donde la solidez de cuerda σr y los

coeficientes de fuerza axial Cx y tangencial Cy

están definidos como:

(9)

94



ISSN-2410-3950






(10)

(11)

De acuerdo a (Wilson & Lissaman, 1974)

el coeficiente de arrastre no debería ser incluido

en las ecuaciones anteriores. El argumento para

la exclusión del arrastre es que, el arrastre sólo

es causado por la fricción de pared y no afecta

la caída de presión a través del rotor. Por lo

tanto, se consideró la siguiente relación:

(12)

Donde a=1/3 es el valor óptimo para

alcanzar el máximo coeficiente de potencia (CP

= 0.59) conocido como límite de (Betz, 1919)

al resolver la diferencial de la expresión

siguiente:

(13)

Por lo tanto, el coeficiente de sustentación

puede ser elegido como aquel valor que

equivale a la máxima relación de sustentación-

arrastre (Cl/Cd) para el cálculo de la cuerda, ya

que esto minimizará pérdidas, de tal manera

que el coeficiente de arrastre es tan pequeño

que se puede omitir en la Ecuación 4 de cambio

de momento angular para dar como resultado:

(14)

Diseño y Modelado

Los perfiles aerodinámicos estándar más

empleados pertenecen a diversas familias como:

NACA, NREL, RISΦ, DU y FFA. Además,

existen también perfiles aerodinámicos

desarrollados a partir de los perfiles

convencionales antes mencionados.

El perfil seleccionado para llevar a cabo

el análisis fue el NACA 4412, ya que es un

perfil aerodinámico con buena relación

sustentación-arrastre incluso a altos ángulos de

ataque.

En ocasiones, no es posible obtener los

coeficientes de sustentación y arrastre para

todos los números de Reynolds y ángulos de

ataque a que se somete un perfil, en tales casos

se realizan interpolaciones. Por lo tanto, con el

fin de hacer más rápido el proceso de diseño se

empleó el software XFoil desarrollado por

(Drela, 1989). XFoil calcula mediante el

método de paneles y la función de corriente los

coeficientes de sustentación y arrastre en base

al perfil aerodinámico, ángulo de ataque y

números de Reynolds y Mach. Esto permite

seleccionar el ángulo de ataque óptimo a

emplear en la punta del álabe, estableciendo un

coeficiente de sustentación de diseño y en base

a esto realizar el diseño completo.

Para el diseño aerodinámico incluyendo

álabes y hub, se creó una rutina en base a la

Teoría BEM en MatLab, de la cual se obtiene la

geometría del álabe. Los resultados de esta

rutina fueron comparados con los obtenidos en

el software TIMEO desarrollado por (Álvarez

Cervera, Lesso Arroyo, & López Garza, 2005),

mostrando buena concordancia.

Una vez concluido el diseño

aerodinámico se realiza el modelado 3D en el

software Gambit. En el modelado se realiza

también el diseño del hub, que para este caso se

modelado a partir de la ecuación parabólica

presentada por (Wang, Bai, Fletcher,

Whiteford, & Cullen, 2008):

(15)

95



ISSN-2410-3950






Esta geometría de hub puede ser

remplazada por geometrías optimizadas, como

las presentadas por (Jiménez, Lopez, Solorio, &

Molinero, 2015), en futuros análisis.

Figura 3 Rotor de 25W con alabes curvados (10% de

Sweep).

La teoría BEM sólo contempla álabes

rectos en un eje normal al perfil aerodinámico,

donde se puede variar el ángulo de ataque y de

paso en función del ángulo de incidencia de la

velocidad relativa de viento. Por lo tanto, en la

rutina de diseño en MatLab se incluyeron

ecuaciones para generar álabes curvos en

distintas direcciones, de manera similar a lo

expuesto por (Gertz, Johnson, & Swytink-

Binnema, 2014), (Larwood, Dam, & Schow,

2014) y (Chattot, 2009), como se muestra en la

Figura 3.

En total se propusieron 18 rotores, los

cuales se dividen en dos grupos: rotores con

ángulo de ataque variable (VA) y rotores con

ángulo de ataque fijo (FA). Dentro de cada

grupo existen cuatro grupos: 1) rotores con

“sweep” (positivo en contra del sentido de

rotación YSPOS y negativo en sentido opuesto

YSNEG), 2) rotores con “dihedral” (positivo en

la dirección del viento YDPOS y negativo en

contra de la dirección de viento YDNEG), 3)

rotores con combinación de “sweep” y

“dihedral” (con variantes positivas y negativas)

y 4) rotores sin “sweep” y/o “dihedral” (NS-

ND).

El sweep se realizó curvando los álabes

10% del valor del radio, la curvatura es con

respecto al eje del álabe en el plano que

contiene al rotor. La longitud curvada del álabe

fue 40% del radio, medido desde la punta hacia

la raíz del álabe empleando un exponente de 2.

(Larwood, Dam, & Schow, 2014).

(16)

El Dihedral se realizó curvando los álabes

10% del valor del radio. En este caso la

curvatura se realiza con respecto al eje del álabe

en el plano paralelo a la dirección del viento. El

porcentaje del álabe curvado es del 100% y el

exponente empleado fue de 2. (Chattot, 2009).

(17)

Una opción más para modificación de

álabes de turbinas eólicas consiste en linearizar

la relación cuerda-radio, lo cual reduce la

cuerda en la raíz del álabe. (Manwell,

McGowan, & Rogers, 2009) y (Liu, Wang, &

Tang, 2013). Sin embargo, en un estudio previo

(Molinero Hernández, Garza López, Jiménez

Ramírez, López Zermeño, & Cadenas

Calderón, 2015) mostraron que al aplicar esta

técnica, tanto la potencia de salida como el

torque de arranque de la turbina disminuyen.

Simulación

Para el proceso de mallado el dominio se

dividió en dos marcos de referencia, uno fijo

con forma cubica y otro rotatorio de forma

cilíndrica dentro del que se incluye el rotor.

96



ISSN-2410-3950






Se realizaron simulaciones empleando los

modelos de turbulencia k-ε standar para el rotor

estático y k-w SST para el rotor en movimiento,

ya que estos modelos dan buenas

aproximaciones al fenómeno real, como han

mostrado (Kasmi & Masson, 2008), (Abdel

Salam & Ramalingam, 2014), (Rocha, Rocha,

Carneiro, Silva, & Bueno, 2014) y (Lanzafame,

Mauro, & Messina, 2013)

Figura 4 Rotor de 25 W fabricado en plástico ABS

empleando tecnología de impresión 3D.

Fabricación y Pruebas

Con el fin de validar los resultados de CFD y

dar certidumbre a los datos que se obtuvieron,

se realizaron pruebas en túnel de viento con un

rotor de 0.57 m de diámetro fabricado con

plástico ABS en una impresora 3D (Figura 4),

capaz de generar 25 Watts considerando un

coeficiente de potencia ideal de 0.59, una

velocidad de viento de 6.5 m/s y una velocidad

específica de 5.

Previo a la realización de pruebas con

equipo de anemometría de hilo caliente, se

realizó la caracterización del túnel de viento.

Con este propósito se ensambló un sistema

empleando una tarjeta de adquisición de datos

National Instruments, un tubo Pitot de punta

elipsoidal y cuatro sensores para medir presión

diferencial, presión atmosférica, temperatura y

humedad relativa.

La conexión entre PC y tarjeta de

adquisición de datos se realiza mediante

LabView. Los datos obtenidos utilizando este

equipo y un anemómetro de paletas fueron

comparados. Entre ambos métodos existe una

discrepancia de 3%.

Una vez concluida la caracterización del

túnel, se midió el torque generado por el rotor

usando un torquímetro. Debido a que la sonda

del torquimetro no permite la rotación,

únicamente se midió el torque de arranque.

Como resultado se obtuvo una variación de 3%

entre el valor medido y el valor obtenido en

CFD.

También se realizaron tomas con cámara

de alta velocidad para captura de líneas de

corriente en la zona cercana a la punta de los

álabes utilizando un generador de humo.

Debido a las características del mismo

únicamente se hicieron tomas del rotor estático,

donde se observa buena concordancia entre las

imágenes de CFD y de cámara de alta velocidad

(Figura 5).

Figura 5 Líneas de corriente a) Experimento (izquierda)

y b) CFD (derecha).

Finalmente, se realizaron las mediciones

de velocidad instantánea e intensidad de

turbulencia en la estela empleando equipo de

anemometría de hilo caliente.

97



ISSN-2410-3950






El equipo puede medir la velocidad

instantánea con una probeta unidireccional por

la cual circula una corriente eléctrica, el

enfriamiento debido a una corriente de viento

genera variaciones en el voltaje de

alimentación, con lo cual se puede conocer la

velocidad de viento. (Jørgensen, 2002). Las

lecturas fueron tomadas en un plano

perpendicular a la dirección del flujo de aire.

Solo se realizaron lecturas parte superior de la

sección de pruebas, ya que en la parte inferior

se encontraba el soporte del rotor y se

obtendrían lecturas con un alto nivel de

interferencia.

Las lecturas de intensidad de turbulencia

con el rotor estático mediante anemometría de

hilo caliente y los resultados obtenidos en CFD

presentaron buena concordancia como se

muestra en la Figura 6.

Todas las pruebas se realizaron manteniendo el

rotor frente una corriente de viento de 6.5 m/s.

Figura 6 Intensidad de turbulencia en la región central de

los alabes. CFD (línea continua) vs Anemómetro de hilo

caliente (línea punteada).

Análisis de Resultados

Una vez validado el modelo CFD para el rotor

estático se compararon rotores con las mismas

características de sweep y dihedral. Se observó

que, los rotores con ángulo de ataque fijo

generan mayor torque de arranque (73.8% -

103.3%) y mayor potencia de salida (1.6% -

7.1%) que aquellos con ángulo de ataque

variable. Por otro lado, los rotores con ángulo

de ataque fijo generan entre 4.49% y 22.31%

más intensidad de turbulencia para el rotor

estático, y entre 0.26% y 3.03% más para el

rotor en movimiento, a excepción del rotor

YSPOS-YDNEG-FA, con el cual la intensidad

de turbulencia disminuyo 0.39%.

La Grafica 1 muestra que el máximo

valor de intensidad de turbulencia con el rotor

estático (0.058057) es producido por el modelo

NS-YDNEG-FA, mientras que el valor minino

(0.047296) es producido por el modelo

YSNEG-YDNEG-VA. Así mismo, el mayor

torque de arranque (0.04427 N-m) es producido

por el rotor YSPOS-YDNEG-FA, y el menor

(0.01890 N-m) es producido por el rotor

YSPOS-YDPOS-VA según la Grafica 2.

Grafico 1 Intensidad de turbulencia en estela. Resultados

de CFD con rotor estático.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

-0,28 -0,21 -0,14 -0,07 0 0,07 0,14 0,21 0,28

X [m]

Intensidad de Turbulencia

0,046500

0,048500

0,050500

0,052500

0,054500

0,056500

0,058500


98



ISSN-2410-3950






Grafico 2 Torque de arranque. Resultados de CFD con

rotor estático.

La Grafica 3 muestra que la mayor

intensidad de turbulencia con el rotor en

movimiento (0.053896) se genera con el

modelo YSPOS-YDPOS-FA, en contraparte la

mínima (0.051687) se produce con el modelo

NS-ND-VA. Respecto a la potencia generada,

en la Grafica 4 se puede observar que el rotor

con la mayor potencia de salida (25.18 W) es el

YSPOS-YDPOS-FA, lo cual es más de lo

esperado según la Teoría BEM. Los rotores con

la menor potencia de salida (22.57 W) fueron

los modelos YSNEG-YDNEG-VA y NS-

YDNEG-VA.

Estos resultados están de acuerdo a lo

presentado por (Chattot, 2009), donde indica

que el sweep y el dihedral positivos

incrementan la potencia de salida.

Grafico 3 Intensidad de turbulencia en estela. Resultados

de CFD con rotor en movimiento.

Grafico 4 Potencia. Resultados de CFD con rotor en

movimiento.

Figura 7 Líneas de corriente coloreadas por magnitud de

velocidad en el Rotor NS-ND-VA con la menor

intensidad de turbulencia 0.051687. Potencia de salida

23.44 W.

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

Torque (N-m)

0,051

0,0515

0,052

0,0525

0,053

0,0535

0,054


21,00 21,50 22,00 22,50 23,00 23,50 24,00 24,50 25,00 25,50

Potencia (W)

99



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Figura 8 Vorticidad generada por el Rotor NS-ND-VA

con la menor intensidad de turbulencia 0.051687.

Potencia de salida 23.44 W.

Figura 9 Líneas de corriente coloreadas por magnitud de

velocidad en el Rotor YSPOS-YDPOS-FA con la mayor

intensidad de turbulencia 0.053896. Potencia de salida

25.18 W.

Figura 10 Vorticidad generada por el Rotor YSPOS-

YDPOS-FA con la mayor intensidad de turbulencia

0.053896. Potencia de salida 25.18 W.

En las Figuras 7,8,9 y 10 se muestra

mediante líneas de corrientes y zonas de

vorticidad el comportamiento de los rotores que

generan la menor y mayor intensidad de

turbulencia al generar potencia de salida.

Agradecimientos

Los autores desean expresar su agradecimiento

a la Coordinación de Investigación Científica

de la Universidad Michoacana de San Nicolás

de Hidalgo (CIC) y al Consejo Nacional de

Ciencia y Tecnología (CONACyT), así como a

la Facultad de Ingeniería Mecánica de la

Universidad Michoacana de San Nicolás de

Hidalgo por su apoyo para el desarrollo de este

proyecto.

100



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Conclusiones

Se empleó equipo de anemometría de hilo

caliente para obtener datos de velocidad de

instantánea e intensidad de turbulencia en la

estela detrás del rotor de una turbina de viento

de eje horizontal de baja capacidad, los datos

experimentales para el rotor estático presentan

buena concordancia con los datos de CFD, lo

cual sumado con las resultados de medición de

torque da certidumbre en el procedimiento

ejecutado para el diseño, modelado, simulación,

fabricación y experimentación. En futuros

trabajos es recomendable llevar a cabo un

análisis estadístico de los datos experimentales

obtenidos en cada uno de los puntos de

medición, lo cual dará información acerca de la

simetría estadística y la amplitud de

distribución (factor de planicidad) del flujo. En

el caso del rotor en movimiento, se deben

realizar pruebas aun adicionales con probetas

de hilo caliente de dos y tres direcciones con el

propósito de incrementar la certidumbre en los

datos obtenidos en CFD, esto último en

conjunto con un análisis estadístico

proporcionara información más detallada del

flujo relacionada con los esfuerzos cortantes de

Reynolds (momentos cruzados) y cantidades de

transporte lateral (momentos cruzados de orden

superior).

La propuesta de diseño que cumple con la

menor generación de turbulencia, tanto en

modo estático como en movimiento, fue el

modelo NS-ND-VA. Aunque no fue la

propuesta con la mayor potencia de salida, la

cual fue el modelo YSPOS-YDPOS-FA, su

potencia de salida es mayor a otras propuestas

que presentan incluso mayor intensidad de

turbulencia en la estela. Con estos resultados se

puede comprobar que es posible mediante la

modificación de la geometría de los álabes

reducir la turbulencia en la estela de rotación,

logrando un incremento en la eficiencia del

aerogenerador y reducción de la estela de

rotación afectada por la turbulencia.

Ya que en todos los modelos los alabes

fueron curvados únicamente el 10% de la

longitud del radio, es recomendable realizar

análisis con distintos porcentajes de curvatura y

el impacto que esto tendría en la estructura del

alabe debido a la variación en las cargar

resultantes debido a la interacción con el fluido.

A futuro la metodología seguida en este trabajo

puede ser también empleada el diseño de

nuevos perfiles aerodinámicos y el estudio de

diferentes geometrías de puntas para los álabes,

entre ellos los “winglets”.

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Aplicación de la energía solar mediante sistema termosolar y sistema solar

fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en función de

utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0 horas solar pico

BARRAGÁN-BUENO, Miguel*†.


___________________________________________________________________________________ Resumen

La ingesta de agua para las personas es de 2.0 litros

promedio diario, este vital líquido, debe estar purificado

o al menos hervido. Considerando que en nuestro país

existen comunidades que se encuentran muy alejadas,

donde no cuentan con el suministro de energía eléctrica

ni de gas LP, para el proceso de cocción de alimentos o

en este caso para hervir agua para consumo, estas

razones, nos permiten apegarnos a los Objetivos del

Desarrollo del Milenio, elaborados por el Programa de

las Naciones Unidas para el Desarrollo, que consiste en

eliminar la pobreza y la desigualdad, es necesario dotar a

todas estas comunidades marginadas en el mundo de

acceso a los servicios modernos de energía. Una parte

importante para atender estas irregularidades en estas

comunidades marginadas, corresponde a que al menos

pudiesen contar con agua purificada para su ingesta,

además de contar con un recurso energético gratuito,

como es la aplicación de las energías renovables, en

especial, el uso de la energía solar, mediante el diseño de

un sistema solar fotovoltaico o de un colector solar o

calentador solar, capaces de poder purificar el agua,

mediante el proceso de hervido o ebullición de agua. Las

consideraciones para el diseño de estos modelos, fueron

utilizar un recurso solar de al menos 3.0 horas solar pico

(HSP), aún y sabiendo que el estándar nacional es de 5.0

HSP. Con esto, lograr el objetivo de poder purificar hasta

200 litros por día de agua, mediante el proceso de

hervido, utilizando la Energía Solar.

Energías Renovables, Energía Solar, Recurso Solar,

Colector Solar, Sistema Solar Fotovoltaico, Hora

Solar Pico

Abstract

The intake of water for the people is of 2.0 litres average

daily, this vital liquid, must be purified or at least boiled.

Considering that in our country there are communities

that are too far away, where they do not have the supply

of electric power or LP gas, for cooking of food or in this

case to boil drinking water, these reasons, allow us to

adhere to the the development of the Millennium,

prepared by the United Nations development programme

which consists of eliminating poverty and inequality, it is

necessary to provide all these marginalized communities

in the world of access to modern energy services. An

important part to address irregularities in these

marginalized communities, corresponds to that it could at

least count on purified water for your intake, in addition

to a free energy resource, as it is the application of

renewable energy sources, in particular, the use of solar

energy, through the design of a photovoltaic solar system

or solar heating or solar collector , capable of to be able

to purify the water, through the process of boiled or

boiling of water. The considerations for the design of

these models, were using a resource solar of at least 3.0

hours solar peak (HSP), still and knowing that the

standard national is of 5.0 HSP. The goal of can purify up

to 200 litres per day of water through the brewing

process, using Solar energy with this.

Renovable energies, Solar energy, solar resources,

Solar system

Citación: BARRAGÁN-BUENO, Miguel. Aplicación de la energía solar mediante sistema termosolar y sistema solar

fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para uso humano, en función de utilizar un recurso solar promedio de al

menos 3.0 horas solar pico. Revista de Sistemas Experimentales 2016, 3-8: 103-110




104



ISSN-2410-3950

ECORFAN® Todos los derechos reservados BARRAGÁN-BUENO, Miguel. Aplicación de la energía solar mediante sistema

termosolar y sistema solar fotovoltaico, para proceso de purificación de agua para

uso humano, en función de utilizar un recurso solar promedio de al menos 3.0

horas solar pico. Revista de Sistemas Experimentales 2016

Introducción

La ingesta de agua para las personas es de

aproximadamente de 2.0 litros promedio diario,

pero debemos saber que este líquido vital, debe

estar purificado o al menos hervido, para que no

se generé algún problema de salud en las

personas que lo ingieren. Ahora si

consideramos que en nuestro país existen

comunidades que se encuentran muy alejadas,

donde ni cuentan con el suministro de energía

eléctrica ni de gas LP para el proceso de

cocción de alimentos o en este caso para hervir

agua para consumo, toda vez que a pesar del

gran avance tecnológico y económico que la

humanidad ha experimentado durante el siglo

XX. Esta falta de acceso a los servicios

energéticos modernos, no solo cancela sus

posibilidades de escapar de la pobreza, sino que

impide el acceso a otros servicios esenciales

como salud y educación. Para alcanzar los

Objetivos de Desarrollo del Milenio, elaborados

por el Programa de las Naciones Unidas para el

Desarrollo, de eliminar la pobreza y la

desigualdad, es necesario dotar a todas las

comunidades marginadas en el mundo de

acceso a los servicios modernos de energía. No

es posible disponer de agua potable de calidad,

sin un bombeo adecuado o de los combustibles

para el proceso en esencia del purificado del

agua. En general, las actividades productivas

generadoras de ingreso requieren agua y

energía limpias, por lo que dotar de estos bienes

a las comunidades marginadas es uno de los

grandes desafíos que enfrenta la humanidad.

México, aunque cuenta con una cobertura de

electrificación estimada en cerca del 97 %,

existen todavía más de 3 millones de personas

sin acceso a la red eléctrica, las cuales están

ubicadas en alrededor de 70 000 localidades,

principalmente en zonas rurales y marginadas.

En general, carecen de los servicios

básicos de agua potable, acceso a la energía,

infraestructura para recolección, tratamiento y

disposición de residuos sólidos y líquidos, así

como pobreza alimentaria y de vivienda. Son

comunidades pequeñas que se encuentran

ubicadas en lugares remotos para los que la

instalación de la red eléctrica resulta

extremadamente costoso o del suministro de

gas LP, por lo cual no se les otorga de este

servicio.

Una parte importante para atender a estas

irregularidades, correspondientes en estas

zonas o comunidades marginadas, corresponde

a que al menos pudiesen contar con agua

purificada para su ingesta y con esto disminuir

al menos gran parte de los problemas de salud

que les aquejan, además de contar con un

recurso energético gratuito como es con la

aplicación de las energías Renovables, en

especial el uso de la energía solar en favor de

las mismas, todo esto, mediante los diseños de

algunos Sistemas Solares Fotovoltaicos o de un

colectores solares (calentadores solar), capaces

de poder purificar el agua de uso diario,

mediante el proceso de hervido o ebullición de

agua. Es decir, mediante la aplicación de la

Energía Solar, la cual no nos cuesta, podamos

enfocarla exclusivamente para este fin,

mediante la aplicación de modelos de

colectores solares o calentadores solares y

también, mediante el uso de sistemas

fotovoltaicos. Las consideraciones para el

diseño de estos modelos, con la consideración

de utilizar un recurso solar promedio de al

menos 3.0 horas solar pico (HSP), aún y

sabiendo que el estándar nacional del recurso

solar es de 5.0 HSP, es decir, para el diseño de

estos sistemas, tanto termo solares como

fotovoltaicos, solo se considera un recurso solar

del 60 por ciento, del establecido como

promedio en nuestro país.

105



ISSN-2410-3950





Con estas consideraciones, se puedan

logran los objetivos de poder purificar ya sea

desde 150 litros al día por un sistema termo

solar o hasta 200 litros por día de agua

purificada por el empleo de un sistema solar

fotovoltaico.

Estos prototipos pueden utilizarse en

cualquier comunidad del país, recordando que

México cuenta con un Recurso Solar muy

bueno, considerado de hasta 5.0 HSP, recordar

que el diseño propuesto se basó en un Recurso

Solar de solo 3.0 HSP, lo que es mejor, puede

contribuir con el desarrollo sustentable de las

mismas comunidades, además de que el agua

calentada estará libre de organismos que

pueden dañar la salud de las personas, no

contaminan, puesto que no se genera ni un solo

gramo de CO2, por el calentamiento del agua

mediante el uso de estos prototipos (colector

solar y sistema solar fotovoltaico), esto

contribuye considerablemente con el medio

ambiente y por supuesto contra el cambio

climático que cada vez genera más estragos en

las poblaciones.

Cálculos y diseño del colector o calentador

solar

Para el diseño y dimensionamiento del colector

solar, el cual se basa principalmente para

calentar agua hasta temperaturas por encima del

grado de ebullición del agua, es decir, teniendo

la consideración que corresponde a la

temperatura final del agua sometida a este

proceso de 110 oC, partiendo de utilizar una

temperatura ambiente del agua de 15 oC, así

como, el volumen de 150 litros por día y la

parte esencial de utilizar solamente para este

diseño, un recurso solar de 3.0 horas solares

pico, equivalentes a 10.8 MJ/m2, para lo que

podemos decir que, el diseño propuesto está

establecido, mediante los siguientes cálculos

realizados, partiendo inicialmente de los datos

técnicos que a continuación se mencionan:

Datos técnicos del diseño:

- Volumen de agua a calentar 150 litros.

- Temperatura ambiente del agua 15 oC.

- Temperatura final o requerida del

agua110 oC.

- Calor específico del agua 4.1868 kJ/kg oC.

- Densidad del agua 1.0 kg / l.

- Recurso Solar considerado para diseño

3.0 HSP =10.8 MJ/m2.

- Considerando que 1.0 HSP = 3.6 MJ

- Superficie que se espera obtener del

colector solar del diseño 6.0 m2.

- Aportación energética de 1 kg de gas

LP= 48 MJ. En la figu ra 1.

Figura 1 Diseño de Colector Solar de 1.5 m

2.

Solución del problema:

1.- Determinación de la Cantidad de

Energía Requerida para calentar el volumen

establecido a la temperatura establecida.

Para la determinación de este parámetro,

utilizaremos la siguiente ecuación:

106



ISSN-2410-3950





Qreq = V.δ.q.ΔT (1)

Donde:

Qreq corresponde a la cantidad de energía

requerida para calentar el fluido a la

temperatura requerida.

V corresponde al volumen de agua que se

pretende calentar.

δ corresponde a la densidad del fluido, en este

caso, es la densidad del agua.

q corresponde al calor especifico del fluido, en

nuestro caso corresponde al agua

ΔT corresponde a la diferencia de temperatura,

entre la temperatura requerida del fluido y la

temperatura del fluido a temperatura ambiente.

Es decir: ΔT = Treq - Tamb

Ahora, al sustituir los valores de las

variables en la ec. 1, tendremos lo siguiente:

Qreq = (150 l).(1.0 kg/l).(4.1868

kJ/kgºC).(110ºC – 15ºC)

Qreq = 59,661.9 kJ = 59.66 MJ

Es decir, requerimos de 59.66 Mega

Joules de Energía, para poder calentar los 150

litros de agua a la temperatura de 110 ºC.

El siguiente paso, corresponde al

dimensionamiento del colector solar, el cual se

determinara con la siguiente ecuación:

Acol = Qreq / R.S. (2)

Donde

Acol corresponde al área o superficie del

colector solar.

Qreq corresponde a la cantidad de energía

requerida para calentar el fluido a la

temperatura requerida.

R.S. corresponde al recurso solar de la

localidad, en nuestro caso, se determinó utilizar

solamente un recurso solar de 3.0 HSP = 10.8

MJ/m2.

Sustituyendo los valores en la Ecuación 2,

obtenemos lo siguiente:

Acol = (59.66 MJ) / (10.8 MJ/m2)

Acol = 5.52 m2

Es decir, necesitamos un colector solar

con una superficie de captación de 5.52 metros

cuadrados, aproximándolo a los 6.0 metros

cuadrados, esto con fines de establecer unidades

enteras. El esquema general del diseño de un

colector solar casero se muestra en la Figura 2.

Funcionamiento del colector solar:

A- Entrada de Agua fría suministrada del

Tinaco hacia el Colector solar.

B- Tanque de Almacenamiento.

C- Colector de Agua Solar Casero

orientado hacia el Sur con una

inclinación que puede variar desde los

15 hasta los 30º.

D- Aprovechamiento de la Radiación Solar

Gratuita, para calentar agua.

E- Usuario final. Para nuestro caso consiste

en purificación del agua.

F- Agua a temperatura alta dentro del

Tanque, lista para su uso final.

G- Agua a temperatura baja (Temperatura

ambiente del agua).

107



ISSN-2410-3950





Figura 2 Esquema del funcionamiento de un calentador

solar convencional

Consideraciones y datos del diseño

propuesto

El sistema del colector solar propuesto esta

integrado por, un colector solar, un recipiente

de agua fría o tinaco de volumen variable,

situado al menos a 1.5 metros de altura con

respecto de la entrada de agua al colector, en

este caso se ejemplifica con un garrafón de 20

litros en color azul, el colector solar, el cual está

integrado por un bastidor metálico rectangular

que contiene en su interior una tubería de cobre

en T pintada en color negro mate, la cual recibe

por la parte superior la radiación solar que

atraviesa el vidrio, calentando así la tubería y

esta a su vez, transfiere al agua fría, este

prototipo también se auxilió de espejos,

colocados en un ángulo de 45º para calentar la

tubería, por los costados y la parte inferior de

esta, con esto logramos incrementar el área de

calentamiento en los tubos, para que así, se

pueda incrementar la eficiencia del colector, por

último, ya que el agua recibió la trasferencia de

calor de los tubos, por un efecto convectivo en

los fluidos, es decir, el agua caliente al ser

menos densa que el agua fría, circula hacia la

parte superior del Colector Solar, en donde, se

encuentra la salida de la misma y con una

temperatura muy superior a la de la entrada, se

puede decir, que la temperatura de salida del

agua, no es adecuada para exponerse a tomar un

baño directamente pero si para cocinar

alimentos, esto se comprobó mediante la

preparación de una sopa instantánea.

La tercera etapa llamada Tanque de

Almacenamiento se compone de un recipiente

que recibe el agua caliente y la almacena hasta

su posterior uso. El volumen del tanque

depende de la cantidad de agua requerida

diariamente, este tanque se encuentra aislado

respecto del exterior mediante un material

aislante o de baja conductividad térmica, ya sea

aire o fibras especiales al alcance de todos, en

donde puede permanecer a una temperatura en

equilibrio térmico durante un tiempo

considerable mientras no exista transferencia de

calor entre el Tanque de Almacenamiento y el

Colector solar. Para ello se auxilia del

aislamiento de las tuberías de los muebles

hidráulicos desde el tanque hasta su destino

final.

Cálculos y diseño del sistema Solar

Fotovoltaico (aislado de la red)

Para el diseño y dimensionamiento del Sistema

Solar Fotovoltaico, con el cual se generará la

energía eléctrica necesaria para usarse en el uso

de la resistencia eléctrica, es decir, por cada

sesión de hervido de agua en la cual la

resistencia recomendada se puede utilizar para

hervir hasta 20 litros, durante un tiempo

aproximado de 12 minutos por sesión, esta tiene

un consumo de 500 Wh, además de considerar

que diariamente podamos hervir hasta 200

litros, tendríamos un uso de 10 sesiones, o el

equivalente a dos hora de uso, para cubrir esta

demanda de energía eléctrica, equivalente a los

1000 Wh, y la parte esencial de utilizar

solamente un recurso solar de 3.0 HSP,

equivalentes a 3.0 kWh/m2, para lo que

podemos decir que, el diseño propuesto está

establecido, mediante los siguientes cálculos

realizados, partiendo inicialmente de los datos

técnicos que a continuación se mencionan:

Datos técnicos del diseño:

- Carga total requerida por el uso diario

de la resistencia eléctrica 1000 Wh.

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ISSN-2410-3950





- Carga requerida por resistencia 500 Wh.

- Uso diario de resistencia 2 horas.

- Carga requerida por sesión de hervido

de 20 litros de agua es de 100 Wh.

- Cantidad de agua por sesión de uso de

resistencia, 20 litros.

- Duración aproximada en hervir agua

con resistencia, 12 minutos.

- Recurso Solar considerado para diseño

3.0 HSP = 3.0 kWh/m2 por día.

- Considerando que 1.0 HSP = 1.0

kWh/m2

- Potencia pico de los módulos a utilizar,

esta deberá ser en función de los que

encontremos en el mercado y de

acuerdo a la potencia pico de los

mismos, para este caso se consideran

módulos de 200 Wp.

- Controlador de carga 12/24 V, potencia

máxima de entrada de 500W.

- Características de la batería a utilizar

115Ah, 12 V.

- Potencia acumulada en baterías al 100

%, 1380 Wh.

En el siguiente esquema observamos de

forma general, el Sistema Solar Fotovoltaico

aislado de la Red, en cual se muestran los

elementos principales del SSFV, como son, los

módulos fotovoltaicos, el controlador de carga,

las baterías, y el inversor. En la figu ra 1.

Figura 3 Esquema de un Sistema Solar Fotovoltaico

aislado de la red.

Solución del problema:

1.- Determinación de la demanda de

energía eléctrica diaria para el hervido de agua,

utilizando resistencia eléctrica de 500 Wh, por

sesión aproximada de 12 minutos, con la cual

calentaremos un volumen de agua de 20 litros

hasta su punto de ebullición.

1 – Tenemos que para lo anterior

requerimos de 100 Wh, para cubrir la demanda

energética de hervir 20 litros de agua, en un

tiempo aproximado de 12 minutos.

2- Calculo del sistema SSFV, mediante el

uso de 3.0 HSP.

SSFV= PT / R. S. (3)

Donde:

SSFV corresponde a la potencia pico del

sistema solar fotovoltaico (Wp o kWp).

PT es la Potencia Eléctrica total o energía

eléctrica total (Wh/día o kWh/día).

R.S. es el Recurso Solar, utilizado para el

dimensionamiento. Por lo regular debe

corresponder al Recurso Solar promedio de la

localidad donde será instalado el SSFV

(HSP/día ó kWh/m2 / día).

109



ISSN-2410-3950





Sustituyendo los valores en la Ec. 3

obtenemos, el dimensionamiento del SSFV:

SSFV = (1000 Wh/día) / (3.0 HSP/día)

SSFV = 333.33 Wp

Determinación de número de módulos

FV:

No. Mod. = SSFV / Ppmod (4)

No. Mod. Corresponde a la cantidad de

módulos FV requeridos para cubrir la potencia

pico requerida por el SSFV.

SSFV corresponde a la potencia pico del

sistema solar fotovoltaico (Wp o kWp).

Ppmod corresponde a la potencia pico del

módulo (Wp).

Sustituyendo los valores en la Ec. 4, se

obtiene:

No. Mod. = (333.33 Wp) / (200.0 Wp)

No. Mod. = 1.667

La cantidad de 1.667 módulos no la

podemos utilizar para el dimensionamiento del

SSFV, por la razón de que no podemos utilizar

una fracción de un módulo, sin embargo, este

valor lo acercamos al valor de 2 módulos FV,

por lo tanto, el sistema solar fotovoltaico estará

dimensionado en 400 Wp (sabiendo que

utilizaremos módulos de 200 Wp), con este

valor, así como con el Recurso Solar

considerado de 3.0 HSP, se pretende que por

día el SSFV, generé una potencia total de 1,200

Wh o 1.2 kWh al día.

Agradecimiento

Agradecimiento a las Autoridades de la

Universidad Tecnológica de Morelia, por

haberme otorgado los recursos para poder

participar en este Evento.

Conclusiones

Se puede decir que, de los resultados obtenidos,

mediante la realización de los cálculos

anteriores podremos tener la oportunidad de

diseñar, un colector o calentador de agua solar,

el cual deberá de tener al menos una superficie

de 6 m2, con el cual garantizar la purificación

150 litros de agua, para consumo humano.

Debemos tener en cuenta, que para este

volumen de agua hervido, estaríamos

consumiendo un aproximado de hasta 1.37

kilogramos de gas LP. Se tienen en cuenta

varios puntos estratégicos que se pueden

atender y se explican a continuación.

El Beneficio Directo: El usuario contará

con el suministro de agua hervida, es decir,

agua con las condiciones de poder ser ingerida,

sin el riesgo de contraer alguna enfermedad

intestinal por el consumo de agua sin hervir.

Además, hará uso directo de la aplicación de las

energías renovables, tendrá posibilidad de tener

un desarrollo sostenible, participar de forma

directa en la conservación del medio ambiente y

contra el cambio climático.

La Calidad: El diseño de los sistemas se

establecen bajo los parámetros de un recurso

solar de solo 3.0 HSP, recordemos que en

México, el recurso solar promedio es de 5.0

HSP, es decir, el diseño del colector se

estableció en condiciones de que contemos

solamente con el 60 % del recurso solar

promedio nacional. Garantizando conseguir el

objetivo de este proyecto.

110



ISSN-2410-3950





La Viabilidad: Esta radica en la fácil

construcción de los prototipos, ya que se

emplean para su elaboración con materiales

diversos, pero que son disponibles en cualquier

lugar, no son tóxicos, son de fácil y poco

mantenimiento, duraderos y maniobrables.

El Producto final: Contar con prototipos

que puedan solventar las necesidades de agua

hervida para ingesta humana, suficiente como

cubrir la demanda de comunidades pequeñas y

marginadas.

El Potencial: Estos prototipos pueden

utilizarse en cualquier comunidad del país,

recordando que México cuenta con un Recurso

Solar muy bueno, considerado de hasta 5.0

HSP, recordar que el diseño propuesto se basó

en un Recurso Solar de solo 3.0 HSP, lo que es

mejor, puede contribuir con el desarrollo

sustentable de las mismas comunidades,

además de que el agua calentada estará libre de

organismos que pueden dañar la salud de las

personas, no contaminan, puesto que no se

genera ni un solo gramo de CO2, por el

calentamiento del agua mediante el uso de estos

prototipos (colector solar y sistema solar

fotovoltaico), esto contribuye de forma

considerable con el medio ambiente y por

supuesto contra el cambio climático que cada

vez genera más estragos en las poblaciones.

Cabe mencionar que estos prototipos están con

la posibilidad de ser mejorados, en cuanto a

diseño y elementos que los integran. Puesto que

se presentan marcas o modelos determinados.

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s/2014/01/REBID_Comunidades-Marginadas

http://siteresources.worldbank.org/INTMEXIC

O/Resources/La_Pobreza_Rural_en_Mexico

Instrucciones para Autores

[Titulo en Times New Roman y Negritas No.14]

Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en Mayusculas -2do Nombre de Autor Correo institucional en Times New Roman No.10 y Cursiva

(Indicar Fecha de Envio:Mes,Dia, Año); Aceptado(Indicar Fecha de Aceptación: Uso Exclusivo de ECORFAN)

___________________________________________________________________________________________________

Resumen

Titulo

Objetivos, metodología

Contribución

(150-200 palabras)

Indicar (3-5) palabras clave en Times New

Roman y Negritas No.11

Abstract

Title

Objectives, methodology

Contribution

(150-200 words)

Keyword

___________________________________________________________________________________________________

Cita: Apellidos en Mayúsculas -1er Nombre de Autor †, Apellidosen Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper.

Título de la Revista. 2015, 1-1: 1-11 – [Todo en Times New Roman No.10]

___________________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________

† Investigador contribuyendo como primer autor.



ISSN-2410-3950


Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en

Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de

la Revista. 2015- [Redactado en Times New Roman No.9]

Introducción

Texto redactado en Times New Roman No.12,

espacio sencillo.

Explicación del tema en general y explicar

porque es importante.

¿Cuál es su valor agregado respecto de las

demás técnicas?

Enfocar claramente cada una de sus

características

Explicar con claridad el problema a solucionar

y la hipótesis central.

Explicación de las secciones del artículo

Desarrollo de Secciones y Apartados del

Artículo con numeración subsecuente

[Título en Times New Roman No.12, espacio

sencillo y Negrita]

Desarrollo de Artículos en Times New Roman

No.12, espacio sencillo.

Inclusión de Gráficos, Figuras y Tablas-

Editables

En el contenido del artículo todo gráfico, tabla

y figura debe ser editable en formatos que

permitan modificar tamaño, tipo y número de

letra, a efectos de edición, estas deberán estar

en alta calidad, no pixeladas y deben ser

notables aun reduciendo la imagen a escala.

[Indicando el título en la parte inferior con

Times New Roman No.10 y Negrita]

Grafico 1 Titulo y Fuente (en cursiva).

No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.

Figura 1 Titulo y Fuente (en cursiva).

No deberán ser imágenes- todo debe ser editable.

Tabla 1 Titulo y Fuente (en cursiva).

No deberan ser imágenes- todo debe ser editable.

Cada artículo deberá presentar de manera

separada en 3 Carpetas: a) Figuras, b) Gráficos

y c) Tablas en formato .JPG, indicando el

número en Negrita y el Titulo secuencial.


ISSN-2410-3950


Apellidos en Mayusculas -1er Nombre de Autor †, Apellidos en

Mayusculas -2do Nombre de Autor. Titulo del Paper. Titulo de

la Revista. 2015- [Redactado en Times New Roman No.9]

Para el uso de Ecuaciones, señalar de la

siguiente forma:

(1)

Deberán ser editables y con numeración

alineada en el extremo derecho.

Metodología a desarrollar

Dar el significado de las variables en redacción

lineal y es importante la comparación de los

criterios usados

Resultados

Los resultados deberán ser por sección del

artículo.

Anexos

Tablas y fuentes adecuadas.

Agradecimiento

Indicar si fueron financiados por alguna

Institución, Universidad o Empresa.

Conclusiones

Explicar con claridad los resultados obtenidos y

las posiblidades de mejora.

Referencias

Utilizar sistema APA. No deben estar

numerados, tampoco con viñetas, sin embargo

en caso necesario de numerar será porque se

hace referencia o mención en alguna parte del

artículo.

Ficha Técnica

Cada artículo deberá presentar un documento

Word (.docx):

Nombre de la Revista

Título del Artículo

Abstract

Keywords

Secciones del Artículo, por ejemplo:

1. Introducción

2. Descripción del método

3. Análisis a partir de la regresión por

curva de demanda

4. Resultados

5. Agradecimiento

6. Conclusiones

7. Referencias

Nombre de Autor (es)

Correo Electrónico de Correspondencia al

Autor Referencia

Revista de Sistemas Experimentales

Formato de Originalidad

Sucre, Chuquisaca ____ de ____ del 20_____

Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables por lo que deberán firmar los

autores antes de iniciar el proceso de revisión por pares con la reivindicación de ORIGINALIDAD de

la siguiente Obra.

Artículo (Article):

_____________________

Firma (Signature):

_____________________

Nombre (Name)


Formato de Autorización

Sucre, Chuquisaca ____ de ____ del 20_____

Entiendo y acepto que los resultados de la dictaminación son inapelables. En caso de ser aceptado para

su publicación, autorizo a ECORFAN-Bolivia a difundir mi trabajo en las redes electrónicas,

reimpresiones, colecciones de artículos, antologías y cualquier otro medio utilizado por él para alcanzar

un mayor auditorio.

I understand and accept that the results of evaluation are inappealable. If my article is accepted for

publication, I authorize ECORFAN-Bolivia to reproduce it in electronic data bases, reprints,

anthologies or any other media in order to reach a wider audience.

Artículo (Article):

_____________________

Firma (Signature)

_____________________

Nombre (Name)

revista de sistemas experimentales - ecorfan · ruiz-aguilar, graciela. phd universidad de...

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