Universidad Tecnológica de Querétaro

Firmado digitalmente por Universidad Tecnológica de
Universidad Tecnológica Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN): cn=Universidad
Tecnológica de Querétaro, o=Universidad Tecnológica de
Querétaro, ou, email=webmaster@uteq.edu.mx, c=MX
de Querétaro
Fecha: 2013.09.03 10:23:10 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“PROTOTIPO COLECTOR SOLAR TIPO FRESNEL DE CANAL
PARABÓLICO”
Empresa:
ENGINEERING SOLUTIONS GROUP
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el titulo de:
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES ÁREA
ENERGÍA SOLAR
Presenta:
GARCÍA LUNA JOSÉ EULICES
Asesor de la UTEQ
Asesor de la organización
Antonio Hurtado García
Ing. Daniel Monroy Trejo
Santiago de Querétaro, Qro. Septiembre de 2013.
Resumen
En este trabajo se presenta el prototipo de un colector solar de tubos de
evacuados para calentamiento de agua además de incorporar una parábola con
efecto reflejante para hacer aún más eficiente el colector solar. Se estudian el
recurso solar de la zona, además se realiza el diseño estructural de la parábola
y cálculo de las diferentes medidas de la parábola. El proyecto lo realizamos en
la micro empresa Engineering Solutions Group.
(Palabras clave: renovables, LabVIEW y parábola.)
2
Description
Engineering
Solutions
Group
is
a
micro-company
that
designs
sustainable projects with an automatication and consulting environment. The
company is a building divided in two apartments of five for eight meters with two
bathrooms and a big courtyard, wall of cement, windows and the door is of iron
painted of black. My supervisor is the Engineer Daniel Monroy T. He is tall; he
has hair short and is thin. He is happy person but strict at work.
_____________________
José Eulices Garcia Luna
3
Dedicatorias
Dedico este trabajo a mis padres Maximina Luna Vargas y Teodoro
García García por apoyarme en mis estudios.
A mis hermanos Saúl, Hugo, Marcos, Ade, Ángel, José Luis, Lucy y a
Estrellita por su apoyo incondicional.
Especial dedicatoria por aquella persona que con su gran amor me da la
inspiración para seguir adelante, para ti María de los Ángeles Casas Martínez.
4
Agradecimientos
Ing. Daniel Monroy Trejo y a toda su familia asesora del proyecto,
quienes con su empeño, compromiso y consejos basados en experiencia y
conocimientos, contribuyo de manera significativa en la realización del proyecto.
Profesor Antonio Hurtado García que a lo largo del T.S.U. estuvo ahí
siempre ayudándome académicamente. A la UTEQ en la División ambiental por
su contribución de manera en mi formación académica y humana, lo cual
represento las bases para el desarrollo de la práctica. A todos los maestros por
las altas calidades de conocimiento que con su acompañamiento y entrega de
experiencia llenaron mis expectativas.
5
Índice
Resumen ........................................................................................................... 2
Description ........................................................................................................ 3
Dedicatorias ...................................................................................................... 4
Agradecimientos .............................................................................................. 5
Índice ................................................................................................................. 6
I.
Introducción ............................................................................................... 8
II. Antecedentes ............................................................................................. 9
III.
Justificación........................................................................................... 11
IV.
Objetivos ............................................................................................... 14
V.
Alcance .................................................................................................. 15
VI.
Análisis de riesgos ............................................................................... 16
VII. Fundamentación teórica ..................................................................... 17
VIII. Plan de actividades .............................................................................. 34
IX.
Recursos materiales y humanos ....................................................... 35
X.
Desarrollo del proyecto ...................................................................... 37
XI.
Resultados obtenidos .......................................................................... 47
XII. Conclusiones y recomendaciones ..................................................... 51
6
XIII. ANEXOS ................................................................................................. 52
XIV.
Bibliografía ......................................................................................... 59
7
I.
Introducción
La Universidad Tecnológica de Querétaro es una Institución de
Educación Superior, cuyo propósito es la formación integral de profesionistas
para obtener un grado de excelencia como Técnico superior universitario, la
UTEQ maneja una evaluación de 70% contenido práctico y 30% teórico en
todas sus materias.
La estadía se realiza en el último cuatrimestre (6) de la carrera que tiene
como fin que todos los alumnos apliquen los conocimientos adquiridos durante
su estancia en la UTEQ, en este periodo se lleva a cabo un proyecto para poder
titularse.
La estadía la desarrollamos en la micro empresa ENGINEERING SOLUTIONS
GROUP la cual es una empresa de servicios en especialidades de ingeniería
como recubrimientos especiales, asesoría ambiental, automatización de
procesos y proyectos de mejora, se ubica en Av. Plan de Guadalupe N°119,
Colonia 5 de Febrero.
El proyecto es “PROTOTIPO COLECTOR SOLAR TIPO FRESNEL DE
CANAL PARABÓLICO” que tiene como objetivo diseñar, construir y evaluar un
prototipo de colector de canal parabólico de concentración foco lineal para la
transformación de energía solar a energía térmica para la obtención de vapor
de
agua.
8
II.
Antecedentes
Los sistemas fresnel tuvieron lugar en los años 90 en la compañía
Solarmundo en Bélgica, y en la Universidad de Sydney en Australia. Los diseños
se basaron en la cavidad del colector y en el grado de aprovechamiento ocupado
por los reflectores.
Posteriormente Solar Power Group Gmbh fue fundada en Múnich, Alemania
por Solarmundo. Un sistema fresnel con la capacidad de generación directa de
vapor fue construido por el SPG en conjunto con el Centro Aeroespacial Alemán.
Uno de los proyectos recientes es la planta con un sistema Fresnel en
Almería,
España
construida
por SGP
y
por
el
grupo
alemán
MAN
Ferrostaal. Consiste principalmente en un campo de espejos primario, un tubo
colector y un espejo secundario. El campo primario contiene 25 filas de espejos
planos sobre el terreno, cada uno de 100 metros de largo por 60 cm de ancho, que
reflejan los rayos del sol en un tubo colector de 100 metros de largo colgado varios
metros por encima del campo principal. Por encima del tubo colector hay un
espejo secundario que concentra la luz solar restante en el tubo colector lineal.
Los espejos se controlan por motores eléctricos que hacen un seguimiento
de la posición del sol, la luz solar se centra en el tubo colector de la manera más
eficiente.
9
Los espejos paralelos enfocan la energía irradiada por el sol en un tubo,
colocado a 8 metros por encima de los espejos. El agua fluye a través de este
tubo de absorción, que se calienta a temperaturas de hasta 450ºC. Esto produce
vapor (como en una central térmica convencional), que se convierte en energía
eléctrica en una turbina de vapor. Debido al pequeño tamaño de los espejos
permite que sean menos sensibles al viento. Almería, España ofrece las mejores
condiciones para una planta de demostración de esta tecnología debido a que el
sol brilla cerca de 3000 horas al año.
Desarrollo en México
En 1981 el Instituto de Ingeniería de la UNAM puso en marcha en, una
planta de canal parabólico de 10 KWe con propósitos de investigación. Dicha
planta operaba originalmente con aceite térmico. Más recientemente se ha llevado
a cabo investigación sobre producción directa de vapor usando el campo de
colectores de la planta, tarea que continúa hasta la fecha.
ENGINEERING SOLUTIONS GROUP es una micro empresa de servicios
dedicada a desarrollar proyectos de mejora, realizar recubrimientos especiales,
dar asesoría ambiental y automatizar procesos.
10
III.
Justificación
La sobre-explotación por parte del ser humano de los recursos naturales
motiva la preocupación de gran parte de la humanidad, que de alguna forma ve
amenazada su propia supervivencia. Es claro que debemos apostar a un modelo
de desarrollo sustentable, tanto del punto de vista social como ecológico. Uno de
los factores a mejorar es nuestro consumo energético. En la actualidad, un
altísimo porcentaje de la energía consumida por la humanidad, se genera de
fuentes no renovables, como el carbón o el petróleo.
Las tecnologías de energías renovables producen energía comercial,
convirtiendo un fenómeno natural en una forma de energía útil. Estas tecnologías
usan la energía del sol y sus efectos directos e indirectos que tiene sobre la tierra
(radiación solar, viento, caídas de agua, y la vegetación; biomasa), fuerzas
gravitacionales (mareas), y el calor del núcleo de la tierra (geotérmica), como
recursos para generar energía. La cantidad de energía solar incidente cada año es
igual a 160 veces los recursos existentes en el planeta de combustibles fósiles y
es igual a 1500 veces a la energía utilizada en un año en todo el planeta.
El energético que más del ochenta por ciento de los mexicanos utiliza es el
gas LP en su presentación de tanque de 30 Kg. Todos los energéticos han sufrido
un incremento en su costo en los últimos años, el precio del tanque de 30 kg se a
incrementado en un 56% en los últimos 12 años, a continuación se presenta la
gráfica 1 donde se aprecia este incremento.
11
Precio del Kg de gas LP de los últimos 12 años
$14.00
$12.00
$12.48
$11.68
$10.78
$10.00
P
r
e
c
i
o
$8.75
$8.00
$9.42
$9.06 $9.17
$9.85 $9.82
$7.52
$6.68
$6.00
$5.51
$4.00
$2.00
$0.00
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Años
Grafica 1. Precio del Kg de gas LP de los últimos 12 años
El presente proyecto se realiza con la finalidad de realizar un monitoreo de
las temperaturas que puede alcanzar un colector solar de tubos de evacuados
acondicionado con un colector de canal parabólico, estas temperaturas servirán
para realizar un análisis y comparación de ambos colectores, de esta manera
saber cuanto aumenta la eficiencia del colector acondicionado con el colector de
canal parabólico.
12
El colector solar de canal parabólico tendrá como fin calentar agua para
aseo personal, el agua caliente como baño tiene los siguientes beneficios:
1. Abre o dilata los poros favoreciendo así la transpiración de la piel.
2. Suaviza y dilata los músculos.
3. Mejora la articulación de la sangre.
4. Provoca un aumento en la temperatura corporal.
5. Provoca un estado de relajación muscular.
13
IV.
Objetivos
Objetivo general
Diseñar, construir y evaluar un colector de canal parabólico para la
transformación de energía solar a energía térmica para la obtención de agua
caliente para el aseo personal.
Objetivos específicos

Diseñar la estructura física del colector de canal parabólico de
concentración foco lineal.

Construir la estructura física del colector de canal parabólico.

Evaluar el colector de canal parabólico, determinando el factor de
concentración geométrica y su rendimiento térmico bajo las condiciones de
radiación solar directa.

calentar agua a 90°c usando como fuente energética la radiación solar.
14
V.
Alcance
Para elaborar el proyecto antes mencionado se realizaran diferentes
etapas, las cuales se describen a continuación:
1. Introducción: en esta etapa trabajaremos con el programa de LabVIEW
2012 y realizaremos varios ejercicios para familiarizarnos con el programa
para posteriormente realizaremos un VI para nuestro proyecto.
2. Diseño: calculamos y diseñamos las diferentes partes de nuestro prototipo
como lo son las bases del colector y el reflector.
3. Construcción: construimos las partes del prototipo realizando diferentes
actividades como medir, cortar, soldar y pintar.
4. Evaluación: en esta etapa ponemos a prueba nuestro prototipo y
observamos el funcionamiento del mismo.
15
VI.
Análisis de riesgos
Los riesgos en un proyecto son una barrera para que no funcione o no
logremos los resultados esperados, a continuación mencionaremos los riesgos
principales que nos puede generar el proyecto así como su posible resolución del
riesgo.
El tiempo es el riesgo principal para que no se concluya el proyecto, para
evitar este riesgo realizamos un plan de actividades el cual se describirá
detalladamente en su apartado correspondiente del proyecto.
El presupuesto es un riesgo en el cual todo proyecto se ve obligado a pedir
apoyo a diferentes instituciones, en nuestro caso para evitar el alto costo del
proyecto algunos de los materiales utilizaremos usados, esto para bajar el costo
del proyecto.
Al instalar el colector solar de canal parabólico tenemos como riesgo que
alguno de los tubos de evacuados se rompa, para esto debemos instalarlo con
mucho cuidado.
16
VII.
Fundamentación teórica
Colectores solares
Los colectores de energía solar son tipos especiales de intercambiadores
de calor que transforman la energía captada de la radiación solar en energía
interna y dicha energía la transfieren a un medio de transporte (por lo general
agua, aceite o aire) que fluye a través del colector. El flujo de energía radiante que
finalmente intercepta el colector, proviene básicamente del rango visible del
espectro solar (longitudes de onda entre 0.29 y 2.5 μm) y es por naturaleza
variable con la hora del día.
¿Como funciona un calentador solar de agua?
La radiación solar es transformada en calor útil por los tubos evacuados y
transmitida al agua, que de esta manera se calienta. El vacío en los tubos elimina
las perdidas de calor al ambiente. El tanque aislado (termo tanque) mantiene el
agua caliente las 24 horas al día.
Estos sistemas funcionan por efecto termosifón y dependiendo del tipo de
alimentación de agua fría que exista en la casa ó lugar.
17
Sistema termosifón
El sistema funciona por efecto termosifón, es decir, el agua caliente pierde
densidad y peso por lo que tiende a ascender de manera natural al termo tanque,
mientras que el agua fría tiende a descender dentro de los tubos evacuados, ya
que tiene mayor densidad y peso. El movimiento del agua se realiza sin necesidad
de bomba y no necesita ningún componente eléctrico ó mecánico, esto hace a los
equipos más fiables, fáciles de mantener y más duradero. En la figura 1 puede
observar el efecto termosifón.
Figura 1. Efecto termosifón
Para que el efecto termosifón funcione, es necesario siempre, que el tanque
se encuentre por encima del punto más alto de los colectores, de esa manera se
podrá establecer los flujos necesarios.
18
Componentes del calentador solar
La figura 2 muestra principales componentes de un calentador solar de
tubos evacuados.
Figura 2. Componentes de un calentador solar
¿Qué es un tubo evacuado?
El tubo evacuado es la parte del equipo que transforma la energía solar en
calor útil, y es a través de el que al agua se calienta. El tubo vacío consiste
básicamente en dos tubos de vidrio borosilicato concéntricos. El tubo exterior de
alta resistencia al impacto, capaz de resistir el impacto de un granizo de hasta
19
2.5cms de diámetro. El tubo interior recubierto con nitrato de aluminio que tiene
una excelente absorción de energía solar y mínimas propiedades de reflexión.
Durante la fabricación del tubo, el aíre existente entre los dos tubos es
extraído o evacuado del espacio entre tubos para formar al vacío, el cual elimina
las perdidas de calor por conducción y convección. Para mantener el vacío dentro
del tubo, un elemento de bario es expuesto a alta temperatura, el cual causa que
el fondo del tubo se cubra con una capa de bario puro (plateado). Esta capa de
bario puro, es un indicar visual del vacío interno del tubo. Si el color plateado se
torna blanco el vacío se ha perdido y el tubo tiene que ser reemplazado.
Componentes del tubo evacuado
1.- Tubo exterior
2.- Tubo interior
3.- Vacío
4.- Superficie selectiva (Nitrato de aluminio)
5.- Gletter de bario (Elemento de absorción mantiene el vacío)
6.- Capa de bario puro
20
Figura 3. Componentes del tubo de evacuado
Reflector parabólico
Los reflectores parabólicos de espejos son usados en los telescopios
astronómicos, en las luces de los autos y en discos para recepciones de ondas
radiales satelitales. Una parábola tiene la única propiedad que un rayo de
radiación paralelo al eje será reflejado por la superficie y concentrado en el foco o
viceversa; una fuente de radiación ubicada en el foco producirá un rayo paralelo a
la reflexión. Cómo se muestra en el diagrama siguiente los rayos paralelos entran
por la izquierda y son reflejados a un solo punto que es el foco.
Figura 4. Acción de enfoque en una parábola
21
El equipo se debe de instalar en la azotea orientado al sur geográfico del
lugar, desviaciones de hasta 20° hacia el oriente o poniente son admisibles. El
ángulo de inclinación en nuestros equipos es de 20°.
La parábola es una curva dimensional, lugar geométrico de los puntos del
plano equidistantes de una recta y de un punto fijo que resulta de cortar un cono
circular recto por un plano paralelo a una generatriz.
La
ecuación
de
una
parábola
es:
y=a.x²
Donde “a” es una constante.
Para una parábola con distancia focal “f”: a = 1/(4f)
Figura 5. El eje de la parábola coincide con el eje “y”, el foco está situado en (0,
f).
22
Si la profundidad del reflector es igual a la distancia focal entonces el
extremo externo del reflector y el foco estarán en el mismo plano lo cual hará
más fácil la ubicación del foco y la conformación de la estructura para su
localización se podrá hacer plana. A esto le sigue que en el punto focal el radio
de la abertura es 2f y que el radio focal para este arreglo es f/0.25.
Recurso solar
En base a un estudio solar que realizamos en la página de la NASA
obtuvimos los resultados de radiación y porcentaje de nubes en el área donde
se ubica la empresa (anexo 1,2 y 3).
LabVIEW
LabVIEW es el acrónimo de Laboratory Virtual Instrument Engineering
Workbench. Es un lenguaje, y a la vez un entorno de programación gráfica en el
que se pueden crear aplicaciones de una forma rápida y sencilla.
LabVIEW es una herramienta de programación gráfica para pruebas,
control y diseño mediante la programación de bloques. El lenguaje que usa se
le llama lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico. Este
programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobre
máquinas MAC, salió al mercado por primera vez en 1986. Ahora está
disponible para las plataformas Windows, UNIX, MAC y Linux. La versión actual
23
2011, publicada en agosto de 2011, cuenta con soporte para Windows Seven
(Win 7).
Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos
Virtuales, o VIs, y su origen provenía del control de instrumentos, aunque hoy
en día se ha expandido ampliamente no sólo al control de todo tipo de
electrónica (Instrumentación Electrónica) sino también a su programación
embebida. Un lema tradicional de LabVIEW es: “La potencia está en el
Software”, que con la aparición de los sistemas multinúcleo se ha hecho aún
más potente. Entre 35 sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de
aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y Diseño) y
permitir la entrada a la informática a profesionales de cualquier otro campo.
LabVIEW consigue combinarse con todo tipo de software y hardware, tanto del
propio fabricante con tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión,
instrumentos y otro Hardware de otros fabricantes.
Programación en LabVIEW
Es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los
programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión.
Al tener pre-diseñado una gran cantidad de bloques, se le facilita al
usuario la creación del proyecto, con lo cual, en vez de estar una gran cantidad
24
de tiempo en programar un dispositivo/bloque, se le permite invertir mucho
menos tiempo y dedicarse un poco más en la interfaz gráfica y la interacción
con el usuario final. Cada VI consta de dos partes diferenciadas:
Panel Frontal: El Panel Frontal es la interfaz con el usuario, se utiliza
para interactuar con el usuario cuando el programa se está ejecutando. Los
usuarios podrán observar los datos del programa actualizados en tiempo real
(Como van fluyendo los datos, un ejemplo sería una calculadora, donde tú le
pones las entradas, y te pone el resultado en la salida).
En esta interfaz se definen los controles (se usa como entradas, pueden
ser botones, marcadores etc.) e indicadores (se usan como salidas, pueden ser
gráficas) como se muestra en la Figura 7.
25
Figura 6. Panel frontal de labVIEW 2012.
En el panel frontal, se encuentran todo tipos de controles o indicadores,
donde cada uno de estos elementos tiene asignado en el diagrama de bloques
una terminal, es decir, el usuario podrá diseñar un proyecto en el panel frontal
con controles e indicadores, donde estos elementos serán las entradas y
salidas que interactuaran con la terminal del VI.
26
Diagrama de Bloques: es el programa propiamente dicho, donde se
define su funcionalidad, aquí se colocan iconos que realizan una determinada
función y se interconectan (el código que controla el programa. Suele haber una
tercera parte icono/conector que son los medios utilizados para conectar un VI
con otros Vis) (véase figura 8).
Figura 7. Diagrama de bloques LabVIEW 2012.
27
Podemos observar en el diagrama de bloques, todos los valores de los
controles e indicadores, como van fluyendo entre estos cuando se está
ejecutando un programa VI.
Esto se puede describir mejor como el esqueleto de mi instrumento
virtual y es donde sehacen todas las conexiones y lógica de mi sistema.
Principales características
Su principal característica es la facilidad de uso, válido para
programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en
programación pueden hacer sistemas relativamente complejos, imposibles para
ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer
programas con LabVIEW, y cualquier programador por experimentado que sea,
puede beneficiarse de él. Los programas en LabVIEW son llamados
instrumentos virtuales (VIs). Para los amantes de lo complejo, con esta
plataforma de programación pueden crearse programas de miles de VIs
(equivalente a millones de páginas de código texto) para aplicaciones
complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de
entradas/salidas, proyectos para combinar nuevos VIs con VIs ya creados, etc.
Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento
y la calidad de la programación.
28
Desde el LabVIEW 7.0 introduce un nuevo tipo de sub-VI llamado Vis Expreso
(Express VIS). Estos son VIs interactivos que tienen una configuración de caja
de diálogo que permite al usuario personalizar la funcionalidad del VI Expreso.
Los VIs estándar son VIs modulares y personalizados mediante cableado y
funciones que son elementos fundamentales de operación de LabVIEW.
Presenta facilidades para el manejo de Interfaz de comunicaciones:

Puerto serie.

Puerto paralelo.

GPIB.

PXI.

VXI.

TCP/IP, UDP, DataSocket.

Irda.

Bluetooth.

USB.

OPC.
Cuenta también con la capacidad de interactuar con otros lenguajes y
aplicaciones:

DLL: librerías de funciones.

NET.

ActiveX.
29

Multisim.

Matlab/Simulink.

AutoCAD, SolidWorks, etc.

Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales.

Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos.

Adquisición y tratamiento de imágenes.

Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior).

Tiempo Real estrictamente hablando.

Programación de FPGAs para control o validación.

Sincronización entre dispositivos.
Principales Usos
Es usado principalmente por ingenieros y científicos para tareas como:

Adquisición de datos y análisis matemático.

Comunicación y control de instrumentos de cualquier fabricante.

Automatización industrial y programación de PACs (Controlador de
Automatización Programable).

Diseño de controladores: simulación, prototipaje rápido, hardware en el
ciclo (HIL) y validación.

Diseño embebido de micros y chips.

Control y supervisión de procesos.

Visión artificial y control de movimiento.
30

Robótica.

Domótica y redes de sensores inalámbricos.

En 2008 el programa fue utilizado para controlar el LHC, el acelerador de
partículas más grande construido hasta la fecha.

Pero también juguetes como el Lego Mindstorms o el WeDo lo utilizan,
llevando la programación gráfica a niños de todas las edades.
El USB-6009 de National Instruments brinda funcionalidad de adquisición
de datos básica para aplicaciones como registro de datos simple, medidas
portátiles y experimentos académicos de laboratorio. Es accesible para uso de
estudiantes, pero lo suficientemente poderoso para aplicaciones de medida más
sofisticadas. El NI USB-6009 que incluye el software registrador de datos para
empezar a tomar medidas básicas en minutos o programarlo usando LabVIEW
o C y el software de servicios de medida NI-DAQmx Base para un sistema de
medida personalizado.
Para un muestreo más rápido, medidas más precisas, soporte para
calibración y mayor número de canales, se consideran los dispositivos de
adquisición de datos de alto rendimiento energizados por bus USB, NI USB6210 y NI USB-6211.
31
Sensor LM35.
Es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de
salida es linealmente proporcional a la temperatura en _C (grados centígrados).
El LM35 por lo tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal
calibrada en grados Kelvin; que el usuario no está obligado a restar una gran
tensión constante para obtener grados centígrados. El LM35 no requiere
ninguna calibración externa o ajuste para proporcionar una precisión típica de _
1.4_ C a temperatura ambiente y _ 3.4_ C a lo largo de su rango de temperatura
(de -55_ a 150_ C). El dispositivo se ajusta y calibra durante el proceso de
producción. La baja impedancia de salida lineal y la precisa calibración
inherente, permiten la creación de circuitos de lectura o control especialmente
sencillos. El LM35 puede funcionar con alimentación simple o alimentación
doble (+y�). Requiere sólo 60 _A para alimentarse, y bajo factor de autocalentamiento, menos de 0,1_ C en aire estático. El LM35 está preparado para
trabajar en una gama de temperaturas que abarca desde los -55_ C bajo cero a
150_ C, mientras que el LM35 está preparado para trabajar entre -40_ C y 110_ C
(con mayor precisión).
Características:

Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados).

Factor de escala lineal de +10 mV/_C.

0,5oC de precisión a +25_ C.
32

Rango de trabajo: -55_ C a +150_ C.

Apropiado para aplicaciones remotas.

Bajo coste.

Funciona con alimentaciones entre 4 V y 30 V.

Menos de 60 _A de consumo.

Bajo auto-calentamiento (0,08_ C en aire estático).

Baja impedancia de salida, 0,1 W para cargas de 1 mA.
33
VIII. Plan de actividades
Nuestro plan de actividades esta divido en cuatro diferentes etapas las
cuales describiremos a continuación. La primera etapa es introducción en el
programa de LabView 2012 de National Instruments, esta tiene una duración de
tres semanas en la cual aplicamos nuestros conocimientos de programación.
Con esta introducción desarrollaremos un VI para realizar la automatización de
nuestro proyecto, es muy importante comprender el programa de LabView para
resolver cualquier dificultad que nos presente el mismo. La segunda etapa es la
de diseño esta tiene una duración de cinco semanas en la cual calculamos y
diseñamos las diferentes partes que tendrá nuestro proyecto. La tercera etapa
es la de construcción tiene una duración de tres semanas, en esta etapa
construimos el prototipo de acuerdo al diseño antes elaborado. En la cuarta y
última etapa tiene una duración de 4 semanas, desarrollamos un VI el cual nos
servirá para adquirir datos de temperatura, además realizamos pruebas y
revisamos el funcionamiento del prototipo. Para tener una mejor visión del plan
de actividades revisar (anexo 4).
34
IX.
Recursos materiales y humanos
Recursos humanos
Para realizar este proyecto necesitaremos de la colaboración de las siguientes
personas:
Asesor de estadía: Antonio Hurtado García
Asesor de la organización: Ing. Daniel Monroy Trejo
Alumno: José Eulices García Luna
35
Recursos materiales
Los recursos materiales se muestran en la tabla 1:
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Nombre
RECURSOS MATERIALES
CANTIDAD
DESCRIPCION / CARACTERISTICAS
HP
1
1
Papel tamaño carta
-
PC
Impresora / Copiadora
Hojas
Software labView
Colector
solar(termo
tanque
y
tubos
de BICENTENARIO
evacuados)
Varillas de acero
Lamina
de
acero
inoxidable
Esmeril
Máquina para soldar
EPP para soldar
Electrodo para soldar
Lija
Pintura en aerosol
Tornillos y tuercas
Pinzas
Desarmador plano y de
cruz
1
Prototipo y pruebas
1
1
1
8
4
4
2
Cortar
Soldar la base del colector
Proteger al personal
Soldar la base del colector
Lijar la base del colector
Pintar la base del colector
Fifar la base
Atornillar la base
2
Atornillar la base
3 botes de 60
Pegar espejos
ml
17 Resistol 5000
18 Espejos
19 Lona
USO
Investigación
Imprimir copiar documentos
Copiado e impresión
Hacer simulación del proceso.
Medidas de 3 cm X 42.5 cm
Medidas de 1.5mX1.5m
1
Tabla 1. Recursos materiales
36
Atornillar la base
X.
Desarrollo del proyecto
Definición del proyecto
Se definió el nombre del proyecto “prototipo colector solar tipo fresnel
parabólico”, se nombró prototipo debido a que es el primero en desarrollarse
en ENGINEERING SOLUTIONS GROUP y Fresnel parabólico porque se
realizara con espejos para dar el efecto de lupa Fresnel con una parábola.
El desarrollo del presente proyecto esta divido en 3 diferentes etapas las cuales
son:
1. Diseño del prototipo
2. Construcción del prototipo
3. Evaluación del prototipo.
Diseño del prototipo
El diseño del prototipo se realizo primeramente investigando los
diferentes tipos de colectores solares y se opto por combinar el colector de
tubos de evacuados y el de tipo de canal parabólico.
La ecuación de una parábola es:
y = a.x²
Donde “a” es una constante.
37
Para una parábola con distancia focal “f”: a = 1/(4f)
Los valores para construir la base del reflector parabólico y las medidas
que tendrán los espejos para colocarlos en la base se encuentran en el anexo
5. Donde X y Y son las coordenadas para obtener la distancia en Z que son las
medidas que tendrán los espejos. En la figura 8 se muestra el diseño de la
base.
Figura 8. Diseño de la base del reflector
38
En la siguiente grafica se muestran los valores de X y Y que son las
coordenadas, y la distancia en Z de la medidas de los espejos.
Gráfica de medidas para construir
parábola
100
80
60
x
Cm
40
y
20
z
0
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
Cm
Grafica 2. Gráfica de medidas para construir parábola.
Construcción del prototipo
De acuerdo con el diseño elaborado se comenzó con los diferentes
procesos para construir las diferentes partes del prototipo que son:
1. Base del colector
2. Base del termo-tanque y tubos de evacuados
39
Base del colector: Para construir la base del colector se comenzó
con el corte de un tambo de acero con medidas según el diseño. Después se le
fijaron varillas de acero para sostener la base con el proceso de soldadura por
arco. Se lijo la base ya terminada para pintarlo con pintura aplicando color gris
oscuro como base del color para posteriormente aplicarle color negro mate. Los
espejos se fijaron en una lona de medidas 85 cm X 180 cm con Resistol 5000,
esto para facilitar la colocación de la base reflectora y no este tan pesada al
momento de moverla. El colector tiene una área de captación solar de 1.53 m2.
Base del termo-tanque y tubos de evacuados: La construcción de
esta base se realizo de la siguiente manera.
1. Tomar medidas que debe tener el colector para captar la incidencia solar
con el canal base del colector.
2. Diseñar la base según las medidas tomadas.
3. Realizar los cortes de las varillas con las diferentes medidas.
4. Soldar las varillas para formar la base
5. Lijar para quitar impurezas de la soldadura.
6. Pintar con base gris oscuro y negro mate.
40
Evaluación del prototipo
Para realizar la evaluación de nuestro prototipo primero lo orientamos al
suroeste para captar mayor incidencia solar, la base reflectora la direccionamos
de este a oeste que es el recorrido del sol y así captar su reflejo.
Empleamos el sistema de adquisición de temperatura con el programa de
LabVIEW incorporando la tarjeta de adquisición de datos la DAQ 6009 y el
sensor de temperatura LM35 con sus resistencias. En las siguientes figuras
podremos observar el programa el panel frontal y el diagrama de bloques.
Figura 9. Panel frontal del programa
41
Figura 10. Diagrama de bloques del programa
El diagrama de bloques tiene 5 casos los cuales describiremos:
Acquisition: en este caso tenemos un SubVI de Thermometer el cual ya
conectado el sensor de temperatura LM35 adquiere datos de temperatura.
42
Figura 11. Caso de Acquisition
Range Check: este es un caso el cual solo checa el rango de
temperatura que se esta obteniendo.
Figura 12. Caso de Range Check
43
Analysis: en este caso evalúa los valores tomados y manda una alarma
si se pasa del limite o si esta debajo.
Figura 13. Caso de Analysis
Data Log: guarda los datos adquiridos en un libro de Excel.
44
Figura 13. Caso de Data Log
Time Check: toma el tiempo de adquisición de datos.
Figura 14. Caso de Time Check
45
En la siguiente figura se muestra el diagrama de conexión de la DAQ
6008/6009 con el sensor de temperatura.
Figura 15. Diagrama de conexión
46
En esta figura podemos observar el prototipo terminado y funcionando.
Figura 16. Prototipo colector solar fresnel parabólico.
XI.
Resultados obtenidos
De acuerdo a los objetivos planteados del proyecto obtuvimos los siguientes
resultados:
Diseñamos y construimos las diferentes bases del prototipo, que estas
nos sirvieron para probar el prototipo. En la base del colector solar tuvimos
47
como resultado que el agua se calentaba solo en el lado de arriba, debido al
efecto termosifón el agua caliente de acuerdo a su densidad tiende a subir
mientras que el agua fría baja. Como en nuestro prototipo los tubos los
colocamos en posición horizontal no cumplía el efecto termosifón como
debiese. Tuvimos que recortar una de las bases para que el efecto termosifón
cumpla con su función, en la siguiente figura se muestra el cambia que
realizamos.
Figura 17. Prototipo colector solar tipo fresnel de canal parabólico
48
En el objetivo de evaluación del prototipo utilizamos el programa de
National Instruments LabVIEW 2012 adjunto con la tarjeta de adquisición de
datos USB DAQ 6009 y el sensor de temperatura LM35. Tuvimos varios
problemas para adquirir datos debido a que hay veces que el programa no lo
corre el VI, otra que tenemos que adecuar muy bien el sensor de temperatura
para lograr la adquisición de datos.
El ultimo objetivo que tenemos planteado en nuestro proyecto es calentar
agua usando como fuente energética la radiación solar, si calentamos agua
pero no cumplimos con las expectativas que teníamos planteadas, llegamos a
calentar el agua a unos 80°C en un lapso de horas, teníamos como meta
calentarla por lo menos a 90°C. La tabla 3 muestra los resultados obtenidos, y
la grafica nos da una mejor visión de las diferentes temperaturas obtenidas.
49
Hora
10:12
10:22
10:32
10:42
10:52
11:02
11:12
11:22
11:32
11:42
11:52
12:02
12:12
12:22
12:32
12:42
12:52
13:02
13:12
temperatura en °C
22
26
35
39
41
42
43
46
50
54
58
61
66
70
73
75
80
83
83
Tabla 2. Temperaturas obtenidas.
Grafica de adquisicion de
temperturas
100
T
e
m
p
e
r
t
u
r
a
80
60
e
n
40
Series1
20
°
C
0
Hora de la medición
Grafica 3. Temperaturas obtenidas
50
XII.
Conclusiones y recomendaciones
La estadía es una base muy importante para la formación como TSU
pues es un ciclo donde cada uno enfrenta problemas reales, estos se pueden
superar gracias a los diferentes conocimientos adquiridos. Para la toma de
decisiones y darle solución a diferentes problemas que se presente a lo largo
del proceso laboral.
En este proyecto podemos concluir que se lograron la mayor parte de los
objetivos aunque no logramos una buena evaluación del prototipo nos damos
cuenta que es un proyecto el cual nos enriquecerá para futuros proyectos en
esta empresa.
Algunas recomendaciones para futuros proyectos y ó continuación del
mismo es que debemos tener en cuenta el efecto termosifón que es y como
funciona su principio. En cuanto al realizar una parábola debemos tomar en
cuenta el material a utilizar, en este proyecto usamos espejos es muy pesado y
también peligroso por lo cual sugerimos utilizar equipo de seguridad como lo
son guantes de cuero y gafas oscuras para protegerse los ojos del reflejo del
sol.
51
XIII. ANEXOS
52
Anexo 1
Insolacion mensual incidente promediada
sobre una superficie horizontal (KWh/m2/dia)
8
K
W
h
/
m
2
/
d
i
a
7
6
5
4
3
2
1
0
MES
Anexo 2
Promedio de radiacion mensual incidente
sobre una superficie inclinada (KWh/m2/dia)
9
K
W
h
/
m
2
/
d
i
a
8
7
6
difusa
5
directa
4
inclinacion 0
3
inclinacion 5
2
inclinacion 20
1
inclinacion 35
0
inclinacion 90
Meses del año
Anexo 3
Recibio en promedio de la cantidad de nubes
(%)
70
p
o
r
c
e
n
t
a
j
e
60
50
40
30
20
10
0
Meses del año
Anexo 4
Diagrama de Gantt del proyecto de Prototipo de colector solar tipo fresnel
de canal parabólico
Etapas
Actividades
Introducción
en LabVIEW
2012
Diseño del
prototipo.
Introducción a programa
LabVIEW
2012
de
National Instruments
Investigar acerca de
colectores solares, tipos
de parábolas, radiación
solar.
Diseñar
canal
parabólico.
diseñar
base
del
colector
Comprar
materiales
para
construir
el
prototipo.
Construir
base
del
colector.
Tomar medidas del
termo tanque y tubo de
evacuados.
Medir varillas de acero y
solera.
Cortar varillas y solera.
Mayo
1
Construcción
del prototipo
Soldar varillas y solera.
Lijar base del colector
Pintar base del colector
Construir reflector canal
parabólico.
Cortar tambo de acero
con esmeril.
Doblar tambo y formar
el ángulo de la base.
Soldar cuatro varillas de
acero en la base del
tambo para fijar el
ángulo.
Lijar base de canal
parabólico
Pintar base de canal
parabólico
Pegar los espejos en
lona.
Armar la base con el
colector y el canal
parabólico.
2
Junio
3
4
1
2
Julio
3
4
1
2
Agosto
3
4
1
2
3
4
Etapa 4 del Diagrama de Gantt del proyecto prototipo colector solar tipo
fresnel de canal parabólico
Evaluación
del prototipo.
Calentar
agua usando
como fuente
energética la
radiación
solar.
„
Realizar VI en programa
LabVIEW 2012.
Realizar diagrama de
conexión de DAQ 6009 y
sensor de temperatura
LM35.
Correr programa de
LabVIEW con VI y tarjeta
USB DAQ 6009 con
sensor LM35.
Realizar observaciones
de funcionamiento.
Utilizar el colector solar y
aprovechar su máximo
rendimiento.
Anexo 5
Tabla de medidas para construir parábola
x
Y
Z
1
0
0
0
2
3.00
0.03
3.00
3
6.00
0.12
3.00
4
9.00
0.27
3.00
5
12.00
0.48
3.01
6
15.00
0.75
3.01
7
18.00
1.08
3.02
8
21.00
1.47
3.03
9
24.00
1.92
3.04
10
27.00
2.43
3.04
11
30.00
3.00
3.05
12
33.00
3.63
3.07
13
36.00
4.32
3.08
14
39.00
5.07
3.09
15
42.00
5.88
3.11
16
45.00
6.75
3.12
17
48.00
7.68
3.14
18
51.00
8.67
3.16
19
54.00
9.72
3.18
20
57.00
10.83
3.20
21
60.00
12.00
3.22
22
63.00
13.23
3.24
23
66.00
14.52
3.27
24
69.00
15.87
3.29
25
72.00
17.28
3.31
26
75.00
18.75
3.34
27
78.00
20.28
3.37
28
81.00
21.87
3.40
29
84.00
23.52
3.42
30
87.00
25.23
3.45
31
90.00
27.00
3.48
incremento en X. 3 cm
Distancia focal. 75 cm
ecuación para sacar parábola y=x2/4f
XIV. Bibliografía
(s.f.).
Alternativa Energética S.A. de C.V. (2012). Manual calentador solar de agua.
México: Alternativa Energética S.A. de C.V.
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http://www.energetica.org.bo/elsol/paginas/sistema_termosolar.asp
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Mayes, L. (1973). Construir grandes reflectores parabólicos usando segmentos
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National Instruments. (2004). User guide and specications USB – 6008/6009.
Austin, Texas: National Instruments.
National Instruments. (2012). Manual de National Instruments. Austin, Texas:
National Instruments .