Universidad Tecnológica de Querétaro

Universidad
Tecnológica de
Querétaro
Firmado digitalmente por Universidad
Tecnológica de Querétaro
Nombre de reconocimiento (DN):
cn=Universidad Tecnológica de Querétaro,
o=Universidad Tecnológica de Querétaro,
ou, [email protected], c=MX
Fecha: 2013.10.08 19:26:27 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“EVALUACIÓN FOTOTÉRMICA DE UN SISTEMA DE
ILUMINACIÓN SOLAR”
Empresa:
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA
AVANZADA “CICATA-IPN Querétaro”
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de
TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES ÁREA
ENERGÍA SOLAR
Presenta:
RAMÍREZ FRÍAS SANTIAGO JACOB
Asesor de la UTEQ
Asesor de la Organización
M. en A. Isela Prado Rebolledo
Dr. Gonzalo Alonso Ramos López
Santiago de Querétaro, Qro., octubre del 2013
1
RESUMEN
El siguiente reporte se realizó en el centro de investigación en ciencia
aplicada y tecnología avanzada de Querétaro (CICATA-IPN Querétaro) dando
continuación a un trabajo realizado dentro del instituto, para quede esta forma el
lector pueda familiarizarse de manera rápida y sencilla con los métodos
aplicados y el funcionamiento de la fibra óptica. El objetivo de este trabajo fue la
optimización, evaluación y diseño de un arreglo de filtros espectrales para su
acoplamiento con la fibra óptica, aumentando la energía luminosa que es
transmitida por la misma, disminuyendo su temperatura. La metodología
utilizada en este proyecto se divide en 4 pruebas, en las cuales el resultado que
se determinó fue el espacio libre para el montaje del sistema que sostendrá la
fibra óptica. Como conclusión, se determinó que el tiempo establecido para la
realización del proyecto de investigación fue insuficiente, sin embargo con las
pruebas realizadas se obtuvo un gran avance para futuras experimentaciones.
(Palabras clave: Fibra óptica, Diseño, Energía luminosa)
2
DESCRIPTION
In my project, I do internship in the Research Center in Applied Science
and Advanced Technology (CICATA-IPN Queretaro), which is an institution
dedicated to the development of scientific and technological projects. Currently I
am in the Alternative Energy Area with Dr. Gonzalo Alonso Ramos López who is
a responsible, calm and charismatic person. He is tall, his hair is short and grey,
his eyes are brown.
Santiago Jacob Ramírez Frias
3
DEDICATORIAS
Dedico este trabajo a mis padres, por su comprensión en todo momento.
Han sido para mí un gran ejemplo a seguir de superación, humildad, honradez y
respeto.
Les debo todo lo que soy como persona.
4
AGRADECIMIENTOS
A mi asesor de estadía el Dr. Gonzalo Alonso Ramos López, por su gran
dirección.
En especial a David Alejandro Pérez Márquez, por su gran apoyo, los
conocimientos brindados, y su disponibilidad, para lograr la realización de este
trabajo.
A todos mis profesores de la Universidad, por su apoyo, confianza y
conocimientos transmitidos.
Al CICATA-IPN Querétaro, por el apoyo otorgado.
A mis compañeros y amigos.
Muchas gracias.
5
ÍNDICE
Resumen……………………………………………………….……….….
2
Description.……………………………………….……….……………….
3
Dedicatorias…………………………………………………………….….
4
Agradecimiento………………………………………………..……….….
5
Índice…………………………………………………………………….….
6
I.
INTRODUCCIÓN……………………………………...……….….
7
II.
ANTECEDENTES…………………………………….……….….
10
III.
JUSTIFICACIÓN……………………………………....……….….
12
IV.
OBJETIVOS.………………………………………….. ……….….
14
V.
ALCANCE ……………………………………………..……….….
15
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS……………………………..……….….
17
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA…………………….……….….
19
VIII.
PLAN DE ACTIVIDADES…………………………….……….….
44
IX.
RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS………………….….
45
X.
DESARROLLO DEL PROYECTO…………………..……….….
47
XI.
RESULTADOS OBTENIDOS………………………..……….….
61
XII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………….….
62
XIII.
ANEXOS……………………………………………………………
64
XIV.
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………….…
66
6
I.
INTRODUCCIÓN
El presente reporte de investigación, se basa en la propuesta de
estudio sobre la técnica de iluminación por medio de fibra óptica a base de
energía solar, para la distribución de luz natural.
La idea de transmitir información por medio de ondas luminosas tiene
siglos de antigüedad. De hecho, el clásico heliógrafo (telégrafo óptico de luz
solar) y la transmisión de mensajes por antorchas responden a esa idea.
CICATA-IPN
El Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada
del Instituto Politécnico Nacional (CICATA-IPN) Querétaro, es un centro de
investigación científico y tecnológico, concebido para servir de enlace entre la
comunidad científica y los sectores productivos de bienes y servicios, para
atenderlos y ofrecerles soluciones a sus problemas de desarrollo.
Para el cumplimiento de este objetivo, CICATA Querétaro desarrolla
programas
de
investigación
científica
y
tecnológica
con
un
enfoque
interdisciplinario y, de igual forma, atiende la formación de recursos humanos
7
de alto nivel contribuyendo decisivamente al fortalecimiento de la calidad y la
competitividad nacional e internacional del aparato productivo en México.
Misión
El CICATA-IPN Querétaro atiende necesidades de desarrollo tecnológico
en sus ámbitos de competencia, realizando proyectos vinculados con los
sectores productivo y social que incrementen su competitividad, en los que se
forman recursos humanos. (“CICATA-IPN”, 5 de junio de 2013).
Visión
CICATA-IPN Querétaro es el líder a nivel regional en su campo de
acción, mediante la realización de proyectos de desarrollo tecnológico que
satisfacen las necesidades del entorno y permiten la formación de recursos
humanos de competencia internacional.
Objetivo
Servir de enlace entre la comunidad científica y los sectores productivos
de bienes y servicios, atenderlos y ofrecerles soluciones a sus problemas de
desarrollo. Para el cumplimiento de este objetivo, CICATA Querétaro desarrolla
8
programas de investigación científica, tecnológica e innovación con un enfoque
interdisciplinario, y asimismo atiende la formación de capital humano de alto
nivel, contribuyendo decisivamente al fortalecimiento de la calidad y la
competitividad del aparato productivo mexicano.
9
II.
ANTECEDENTES
Usar fibra óptica para transmitir luz desde una fuente remota, fue una de
las primeras aplicaciones de esta tecnología, comúnmente asociada con el
rubro de las telecomunicaciones. Sin embargo, desde los años ’90, su uso en
este tipo de aplicaciones ha crecido explosivamente. Actualmente, la fibra
óptica se está transformando en una alternativa muy recurrida por los
diseñadores de iluminación y arquitectos.
La gran novedad aportada en nuestra época es la de haber conseguido
“domar” la luz, de modo que sea posible que se propague dentro de un cable
tendido por el hombre. El uso de la luz guiada, de modo que no se disperse en
todas direcciones, sino en una muy concreta y predefinida se ha conseguido
mediante la fibra óptica, que se puede pensar como un conducto de vidrio -fibra
de vidrio ultra delgada- protegida por un material aislante que sirve para
transportar la señal lumínica de un punto a otro.
Las
fibras
ópticas
son
filamentos
de
vidrio
de
alta
pureza
extremadamente compactos. El grosor de una fibra es similar a la de un cabello
humano.
10
El empleo de fibras de vidrio como medio guía no tardó en resultar
atractivo: tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y costo. En concreto,
las fibras de vidrio permitían guiar la luz mediante múltiples reflexiones internas
de los rayos luminosos, sin embargo, en un principio presentaban elevadas
atenuaciones.
Hoy en día, la fabricación de fibra óptica es un proceso de alta
tecnología. Tengamos en cuenta que el grosor estándar de la fibra es 125
micras (aproximadamente el doble que un cabello humano) y el núcleo es de
unas 8 micras (en fibras monómodo, que son las usadas para iluminación y
comunicaciones a larga distancia). Y evidentemente, es crítico mantener la
pureza y la regularidad del núcleo.
Su bajo consumo de energía eléctrica, cero emisión de calor y radiación,
la han transformado en una alternativa muy atractiva para diversas
aplicaciones, como iluminar alimentos congelados en refrigeradores de
supermercados o piezas históricas en museos. Por sus características seguras,
también se ha convertido en una fuente de iluminación para ambientes
industriales, agresivos e incluso explosivos.
11
III.
JUSTIFICACIÓN
La problemática de generación de energía para uso de iluminación de
interiores y la quema de hidrocarburos ha dado paso a buscar nuevos métodos
para solucionar dicho problema.
La energía solar como fuente renovable, abundante y poco prejuiciosa
para el medio ambiente, es una manera viable de obtener grandes beneficios
sin la necesidad de generar tantos desechos industriales y de gases de efecto
invernadero; como el CO2.
El Sol nos ofrece cada día una inmensa cantidad de energía que
debemos recoger para reducir con ello la dependencia de los combustibles de
origen fósil. El siguiente dato da una idea clara de lo que podemos conseguir:
Cada m2 de placa captadora solar con fines energéticos, evita la emisión
anual a la atmósfera de 350 Kg de CO2 (Tomas Perales, 2008).
Son muchas las características beneficiosas que se le atribuyen a la
energía solar hoy en día, tales como:

Completamente renovable e inagotable.
12

Es capaz de cubrir las necesidades energéticas, sin tener que
utilizar recursos naturales agotables.

Ahorro económicamente alto en el consumo de energía eléctrica a
largo plazo.
13
IV.
OBJETIVO
Objetivo General
Diseñar, evaluar y optimizar un arreglo de filtros espectrales para el
acoplamiento de fibra óptica, en un sistema de iluminación solar, que permitan
disminuir la temperatura y aumentar la energía luminosa transmitida por la
fibra.
Objetivos Específicos

Utilizar filtros ultravioletas para determinar si así la fibra óptica
transmite luminosidad con mayor eficacia y reduce su desgaste por esta
radiación.

Bloquear la radiación solar incidente sobre la fibra óptica.

Optimizar el espectro de radiación.
14
V.
ALCANCE
A partir de este experimento se pretende optimizar la luz visible que
atraviesa la fibra óptica, haciendo un rediseño de una base para la colocación
de un sistema que permita fijar la fibra óptica y obtener una mayor eficiencia.
Una vez realizado este proyecto, debido a la pureza y transparencia de
de la fibra óptica, permite iluminar zonas especiales sometidas a toxicidades,
riesgos de incendio, etc., como las siguientes:

Industrias petrolíferas: debido al alto riesgo que se corre en las
zonas petroleras, en especial las plataformas de crudo. Un sistema de
iluminación que no genere calor y sobre todo no haga un corto circuito; la fibra
óptica destaca por estas especificaciones.

Explotaciones mineras: dentro de las minas siempre se encuentra
un riesgo latente de una explosión si algún circuito eléctrico falla y expulsa
chispas, podrían entrar en contacto con gases subterráneos y causar grandes
daños.
15

Industrias mineras de altos componentes inflamables: muchos
minerales que son extraídos de minas, reaccionan con muy poco calor, por lo
que es muy importante tener medios aislados de iluminación eléctrica.

Museos: Las pinturas que se ubican dentro de museos son muy
susceptibles a cambios por la exposición prolongada a luces cálidas/blancas,
debido a que la radiación ultra violeta es la principal causa del deterioro de las
mismas, con un sistema de iluminación por fibra óptica y sus
correspondientes, la vida de las obras se puede prolongar mucho más.
16
filtros
VI.
ANÁLISIS DE RIESGOS
Se han analizado los posibles riesgos que pueden retrasar el desarrollo
eficiente de este proyecto, tales como:

Fragilidad de la fibra. Al ser de vidrio y no tan flexible, es
sumamente delgada y muy propensa a roturas o quiebres.

Costos de adquisición. El costo de la fibra óptica y sus debidos
filtros espectrales, tienen un elevado precio en el mercado; ya que su compra
es en dólares.

Imperfecciones de la guía (pérdidas por dobleces). Una mala
colocación de la fibra puede ocasionar un doblez, facilitando pérdidas luminosas
o roturas.

Longitud de la fibra. Al ser un material muy frágil, se dificulta el que
sea tan larga, al ser de vidrio no es recomendable que sea muy larga (50 cm).
17

Tiempo de entrega de los filtros espectrales (modelos: A86-490,
A86-497, A86-489, A86-496, A62-974, A49-024); debido a que se solicitó la
compra a USA.
18
VII.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
El Sol
El Sol es la fuente de energía de nuestro planeta. La estrella que calienta
la tierra y que dio lugar a la vida. Se comporta como un potente reactor nuclear
de fusión que produce anualmente una energía en forma de radiación
electromagnética de 5,4 X 1024 J y de condición renovable para nosotros, que
medimos pequeños espacios de tiempo comparados con los del Sol (se agotará
algún día, pero nosotros no lo veremos). Tal cantidad de energía corresponde a
4,500 veces a la que se consume en el mundo en el mismo periodo, lo que da
idea de su magnitud y de lo que podemos aprovechar mediante captadores de
esta radiación (Tomas Perales, 2008).
Nos separa del Sol una distancia de 150 millones de kilómetros,
aproximadamente, de la cual obtenemos 1,376 watts por metro cuadrado. Tal
valor se ve a su vez afectado por la atenuación de la capa atmosférica y sus
componentes, con los que la energía útil que es posible recoger sobre la
superficie terrestre es de aproximadamente 1000 W/m2 (1 kW/m2) (Tomas
Perales, 2008).
Es, por tanto, esa energía nuestra fuente energética natural para la que
continuamente se están encontrando nuevas formas de aprovechamiento
dentro de la actividad humana cotidiana, siendo una de las más importantes en
19
este momento la iluminación, para reducir la dependencia de los combustibles
fósiles que tanto degradan nuestro medio ambiente (Tomas Perales, 2008).
FUENTE: (J. A. Manrique 2002).
Ilustración 1. Espectro de radiación solar
El espectro electromagnético es el rango de todas las radiaciones
electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución
característica de la radiación electromagnética de ese objeto. Tal como se
puede observar en la ilustración 1, el espectro electromagnético emitido por el
sol corresponde a la curva de radiación extraterrestre, el cual a su vez se
aproxima a un cuerpo negro a 5,500 K (J. A. Manrique, 2002).
20
Como puede observarse en la ilustración anterior, el agua tiene un efecto
muy importante sobre la radiación solar a nivel del mar. Además, cuando los
días son nublados, esta radiación se ve enormemente reducida en todas las
longitudes de onda. Para que sea posible la cuantificación de la radiación total
sobre la tierra se utiliza el Watt por metro cuadrado (Wh/m2), (Duffie, 1980).
En la ilustración siguiente, se muestran las longitudes de onda que son
abarcadas por el espectro solar, desde el infrarrojo, luz visible y ultravioleta.
FUENTE: (J. A. Manrique 2002).
Ilustración 2. Regiones del espectro electromagnético donde se muestra a
detalle el espectro solar
21
Constante solar
La constante solar se considera la cantidad de energía por unidad de
tiempo y área que alcanza la atmósfera terrestre sobre una superficie normal al
sol. Su valor es de 1,376 watts por metro cuadrado de superficie.
Sin embargo, la atmósfera la atenúa, tal como se ha indicado, por efecto
de las reflexiones sobre las nubes y por la absorción al atravesar las moléculas
de aire, el ozono, el vapor de agua, etc., con lo que el vapor práctico que se
toma para los cálculos de las instalaciones solares térmicas sobre la superficie
terrestre es de 1kW/m2, valor que, no obstante, sufre otros decrementos por
otras condiciones.
Para cuantificar la radiación solar recibida por el sol se emplean
cotidianamente dos unidades que la definen en forma de potencia (W) o de
energía (J). Éstas son:

Irradiancia: Define este termino la potencia correspondiente al
valor de la radiación sobre la superficie. Se expresa como W/m 2.

Irradiación: Define el valor de la energía, ya que corresponde a la
radiación sobre una superficie dada y durante un periodo de tiempo
determinado. Se expresa como Wh/m2 o bien en J/m2, que es la notación mas
empleada.
22
Se puede establecer una equivalencia entre las expresiones que definen
la radiación solar en potencia y en energía. Así, empleando las expresiones
más cotidianas de kilovatio (kW) y megaJulio (MJ).
La radiación solar no es constante en toda la franja diurna (Tomás
Perales, 2008). Intervienen factores tales como el estado momentáneo de la
atmósfera, la hora del día y la estación del año. Así, la indicada cantidad de
irradiación solar de 1 kW/m2 sobre la superficie terrestre se da solo en la
condición de día completamente despejado y al medio día.
Aprovechamiento De La Energía Solar
La disponibilidad de este recurso en el mundo, se ha convertido en un
problema, debido a que la gran mayoría de los países industrializados o los que
están en pleno desarrollo, se ven afectados por la incesante demanda
energética para satisfacer sus necesidades sociales y económicas.
La radiación solar además de proporcionar luz, también se transforma en
biomasa por medio del efecto de la fotosíntesis, en viento por los gradientes
23
térmicos que se producen en la atmósfera o en energía hidráulica por la
evaporación de los mares. (Rafael Cuervo García, 2009).
"Desde hace algunos años, se ha dado paso a que la sostenibilidad
energética en un futuro vendrá dada por el uso de las energías renovables"
(Javier M. Méndez Muñiz, 2007).
En la siguiente ilustración se muestra un mapa de soleamiento o
insolación para la república Mexicana y cada una de las líneas, corresponde a
los lugares que reciben la misma cantidad de radiación.
FUENTE: (Instituto de investigaciones eléctricas, 2013).
Ilustración 3. Mapa de radiación solar diaria en la Republica Mexicana
24
El sol es una fuente de recurso inagotable para el hombre, es limpia,
bastante abundante y esta disponible en la mayoría de la superficie terrestre.
Pese al gran avance tecnológico de los últimos tiempos, el aprovechamiento
solar ha sido muy insignificante si se le compara con el consumo mundial de
energía.
Los problemas más usuales para el aprovechamiento de esta energía
son los siguientes:

Variación en el tiempo de la intensidad de la radiación solar.

Inconsistente dispersión de la radiación en la superficie de la
tierra.
La radiación solar recibida sobre una superficie horizontal es de 1 kW/m2
al medio día solar, la cual varía según la declinación, latitud, nubosidad,
humedad, entre otros factores, aunque su principal problema es la intermitencia,
la cual es mucho más baja en invierno y es cuando más se requiere, de modo
que en la mayoría de los casos la disponibilidad no coincide con la demanda.
(Néstor Quadri, 2006).
Para esto, la mejor forma de aprovechar la radiación solar, es mediante
las siguientes formas:

Captación y concentración.
25

Utilización directa: mediante la incorporación de acristalamientos y
otros elementos arquitectónicos.

Transformación en calor: es la llamada energía solar térmica, que
consiste en el aprovechamiento de la radiación.

Transformación en electricidad: es la llamada energía solar
fotovoltaica, que permite transformar en electricidad la radiación solar por medio
de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares.
Geometría Solar
La geometría solar es uno de los elementos más importantes dentro de
los procesos de diseño arquitectónico, debido a que a través del conocimiento
del comportamiento de la trayectoria del sol o de los rayos solares, se pude
lograr la mejor posición de un objeto.
Al modelar cualquier tipo de sistema que se basa en la radiación solar, es
importante tomar en cuenta los cambios de estación, la posición del sol cada
hora, el ángulo de incidencia de la luz y la posición del sol al momento de
decidir la colocación del colector o concentrador.
26
La posición del sol puede describirse mediante dos ángulos diferentes. El
primero es el azimuth (α-alpha) y el segundo es el ángulo de altitud o elevación
(ϕ- phi). Véase la siguiente ilustración.
NOTA: los símbolos utilizados en la ilustración son solo de ejemplo.
FUENTE: (Instituto de investigaciones eléctricas, 2013).
Ilustración 4. Ángulo azimutal y de altitud
A continuación se definirán los conceptos para describir la relación
geométrica solar (MANRIQUE, 1984) (P. Hinojosa, 2010) (Duffie, 1980).
Día Juliano : Es un método para identificar el día actual a través de la
cuenta del número de días que han pasado desde una fecha pasada y
arbitraria.
27
A continuación se muestra la tabla con el día juliano ( ) que corresponde
para cada día del año.
Tabla No 1.
MES
Representación del día juliano
“n” para el i-ésimo día del mes
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
i
31 + i
59 + i*
90 + i*
120 + i*
151 + i*
181 + i*
212 + i*
243 + i*
273 + i*
304 + i*
334 + i*
Nota: para año bisiesto sumar 1 a las constantes con *
FUENTE: (Duffie, 1980).
Latitud φ: se define como el ángulo que determina el lugar de interés
sobre la tierra, con respecto al plano del Ecuador. Es positivo si se mide
respecto al norte y negativo respecto al sur.
La declinación δ: define la posición angular del Sol al mediodía solar, (el
momento en que el Sol está más alto en el firmamento con respecto al plano del
ecuador). Es el índice de alejamiento de norte a sur y depende del día del año
(n). Puede calcularse mediante la fórmula:
28
δ = 23.45 sen
)
Ángulo horario ω: es igual a cero al mediodía solar y adquiere un valor
de 15° de longitud por cada hora, siendo positivo en las mañanas y negativo por
las tardes. Así, ω es, por ejemplo, igual a +30 a las 10:00, y ω es igual a -15 a
las 13:00 horas.
Altura solar α: se define como el ángulo entre la horizontal y la línea del
Sol. Se puede calcular mediante:
α = sin-1(cos φ * cos δ * cos ω) + (sen φ *sen δ)
Azimut γ: define la desviación de los rayos del Sol con respecto al sur
verdadero (se mide con relación al sur):
γ = sin-1 (cos δ *
)
Haciendo uso de las expresiones anteriores y considerando que al
amanecer y al atardecer, la altura solar es cero, puede calcularse el número de
horas de asoleamiento diario. Haciendo α=o en la ecuación, se obtiene que:
29
ω =cos-1(-tan φ * tan δ)
Véase en la ilustración de continuación, la declinación δ.
FUENTE: Censol 5.0
Ilustración 5. Descripción de la declinación solar (δ)
Instrumentos de Medición Solar
Para poder evaluar el funcionamiento de cualquier sistema de energía
solar, es necesario considerar los efectos meteorológicos. Para esto se han
desarrollado dos instrumentos de medición de la radiación solar: El piranómetro,
para la radiación solar total y el pirheliómetro, para la radiación solar directa.
Ambos, son instrumentos que contienen transductores, los cuales entregan en
forma de señal eléctrica la radiación solar captada.
30
Piranómetro.- Es el más difundido, también llamado "solarímetro o
actinómetro”, véase la ilustración 6.
Este mide la irradiación global, o flujo de
radiación en W/m2 sobre una superficie horizontal.
FUENTE: www.direcindustry.es
Ilustración 6. Piranómetro
Pirheliómetro.- Mide la intensidad de la radiación solar directa. Se trata
de un tubo largo que limita los ángulos de aceptación de la radiación y un
sensor en el extremo final de éste. Este tipo de instrumento se diseña con un
ángulo de aceptación de 1°. El sensor se construye con una base de una
termopila que tiene forma de disco, es de color negro para absorber toda la
radiación incidente.
31
En la ilustración 7 se muestra un Pirheliómetro y un esquema de
incidencia de la radiación pasando por el tubo hasta llegar a la termopila.
FUENTE: (www.direcindustry.es, 2013).
Ilustración 7. Pirheliómetro
32
Fibra Óptica
La fibra óptica es un filamento de vidrio (compuestos de cristales naturales)
o plástico (cristales artificiales), por el cual viaja un rayo de luz. La fuente
luminosa puede ser solar, láser o un LED.
El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a
alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado
por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su
núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las
desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son
compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de
transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las
interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia (Hetch,2000).
Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz
de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga
propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al
índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es
superior al ángulo limite. El haz de luz queda completamente confinado y se
propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del
ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell.
33
La fibra óptica de vidrio al ser fabricada de sílice, tiene un amplio margen
de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues presenta un
funcionamiento uniforme desde -550°C a +125°C sin degradación de sus
características.
La fibra óptica es inmune al ruido y las interferencias por ser un medio
dieléctrico, característica muy positiva en muchas aplicaciones, sobre todo
cuando el cable debe pasar por zonas donde hay instalaciones con mucha
contaminación electromagnética.
En poco más de 10 años, la fibra óptica se ha convertido en una de las
tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de
información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las
telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en
la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias
hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía
telefónica.
34
Constitución de los Cables de Fibra Óptica
En general los cables de fibra óptica están compuestos de los siguientes
elementos:

Fibra óptica: Las fibras ópticas con sus protecciones están
dispuestas en una o dos capas concéntricas alrededor de un elemento central
en paso de hélice (cambia la dirección del trenzado después de un número
determinado de vueltas, cada 90cm aproximadamente), constituyendo el
conjunto el núcleo del cable.

Elementos de relleno: Generalmente son tubos de material
plástico de color negro, similares a los utilizados para albergar las fibras y que
se emplean para rellenar los espacios vacíos del núcleo.

Compuestos de relleno: El cable está relleno de un compuesto
hidrófugo, normalmente petrolato, que se dispondrá en los espacios vacíos del
núcleo y entre éste y la cubierta.

Cintas de envoltura del núcleo: El núcleo del cable se cubre con
una o varias cintas dieléctricas de poliéster o material similar, de espesor
suficiente para garantizar la debida protección térmica del núcleo durante el
proceso de extrusión de la cubierta del cable.

Elemento de refuerzo: Su misión fundamental es proporcionar al
cable un elemento apto para soportar la tensión de tiro durante la instalación.
Su ubicación en el cable y su composición depende del tipo de cable.
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La constitución de un cable de fibra óptica (véase ilustración 8), y la
secuencia de su conformación, son las siguientes:
1) Fibra óptica (conductor),
2) Elementos de relleno,
3) Compuestos de relleno,
4) Cintas de envoltura del núcleo
y
5) Elementos de refuerzo
FUENTE: (www.fibraopticahoy.com, 2013).
Ilustración 8. Constitución de un cable de fibra óptica
En los cables metálicos el elemento de refuerzo está constituido por una
sirga de acero de 19 hilos. Está situado en la parte central, axial, del cable y
está recubierto por una capa de polietileno negro de baja densidad. Sobre este
elemento se dispondrán las fibras ópticas, en paso de hélice, formando el
conjunto del núcleo del cable.
36
En los cables no metálicos o dieléctricos, el elemento de refuerzo está
constituido por hilaturas de fibra de aramida, dispuestas en hélice sobre la
cubierta interior de polietileno, poliuretano o termoplástico, según el tipo de
cable.
Los cables dieléctricos tienen un elemento central no metálico que sirve
de soporte para posicionar las fibras ópticas y así configurar el núcleo del cable.
Tipos de Fibra Óptica
La fibra óptica mono-modo (Singlemode): Tiene un núcleo estrecho (8 µ
más o menos), el índice de refracción entre el núcleo y los cambios de
revestimiento es menos de la que se hacen en las fibras multi-modo. Por lo
tanto, la luz se desplaza paralela al eje, creando poca dispersión del pulso.
Véase la siguiente ilustración.
FUENTE: (Fiber-Optic-Lighting, 2013).
Ilustración 9. Fibra óptica Mono-modo
37
Fibra Multi-modo (Multimode): En este tipo de fibra viajan varios rayos
ópticos, reflejándose a diferentes ángulos como se muestra en la ilustración 10.
Los diferentes rayos ópticos recorren diferentes distancias y se desfasan al
viajar dentro de la fibra. Por esta razón (véase ilustración 10), la distancia a la
que se puede trasmitir esta limitada.
FUENTE: (Fiber-Optic-Lighting, 2013).
Ilustración 10. Fibra óptica Multi-modo
Fibra óptica multi-modo con índice graduado: En este tipo de fibra óptica
el núcleo está hecho de varias capas concéntricas de material óptico con
diferentes índices de refracción. La propagación de los rayos en este caso
siguen un patrón similar al de la ilustración 11. En estas fibras el número de
rayos ópticos diferentes que viajan es menor, y por tanto, sufren menos el
severo problema de las multi-modo.
38
FUENTE: (Fiber-Optic-Lighting, 2013).
Ilustración 11. Fibra óptica Multi-modo con índice graduado
Ventajas de la Fibra Óptica

Ausencia de electricidad y calor, como en los museos (véase la
ilustración 12): Esto se debe a que la fibra sólo tiene la capacidad de transmitir
los haces de luz además de que la lámpara que ilumina la fibra no está en
contacto directo con la misma.
FUENTE: (es.made-inchina.com, 2013).
Ilustración 12. Iluminación dentro de un museo con fibra óptica
39

Se puede cambiar de color la iluminación sin necesidad de
cambiar la lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz
de cualquier color sin importar el color de la fibra.

Con una lámpara se puede hacer una iluminación más amplia por
medio de fibra: Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias
fibras y colocarlas en diferentes lugares. Véase la ilustración 13.

Se puede usar como una guía de onda en aplicaciones médicas o
industriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco que no
se encuentra en la línea de visión.

La fibra óptica se puede emplear como sensor para medir
tensiones, temperatura, presión así como otros parámetros.

Atractivo visual. Esta tecnología permite lograr además de
cambios de colores, efectos de dimerización, destello, parpadeos, combinación
con tecnología DMX, etcétera.
40
FUENTE: (www.parans.com, 2013).
Ilustración 13. Iluminación solar con fibra óptica
Desventajas de la Fibra Óptica

Fragilidad de las fibras.

El costo de instalación es elevado.

El costo relativamente alto en comparación con los otros tipos de cable.
41

Dificultad de reparar un cable de fibra roto.

Disponibilidad limitada de conectores.
Filtro óptico
Un filtro óptico es un medio que solo permite el paso de luz a través de
él, suprimiendo o atenuando la luz restante. Los filtros ópticos más comunes
son los filtros de color, es decir, aquellos que solo dejan pasar la luz de una
determinada longitud de onda.
Si se limitan a atenuar la luz uniformemente en todo el rango de
frecuencias se denominan filtros de densidad neutra.
Según su procedimiento de acción pueden ser de absorción; si absorben
parte de la luz, o bien reflectivos si la reflejan. La atenuación de la señal filtrada
se mide mediante la transmitancia óptica del medio filtrante o su inversa, la
absorbancia.
En la ilustración 14, puede verse un filtro óptico aplicado directamente
sobre fibra óptica, mostrando la separación de colores.
42
FUENTE: (Bang Teguh Label, 2013).
Ilustración 14. Filtro óptico aplicado directamente sobre fibra óptica
43
PLAN DE ACTIVIDADES
Las actividades realizadas para este proyecto, se pueden consultar en el
anexo I.
44
VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
Los materiales y los recursos requeridos para la realización del proyecto,
fueron:
Recursos Materiales

Filtros de densidad neutra.


Fibra óptica plástica.
 Aluminio.

Lente plana-convexa.
 Programa Solid Works

Porta lentes.

Vernier.
Computadora.
Maquinaria

Fresadora.

Prensillas.

Taladro.

Arco de sierra.

Sierra caladora.

Esmeril angular.

Llaves fijas.

Escuadra de talón.

Tornillo de banco.

Taladrina

Lima.
corte.
45
o
aceite
de
Recursos Humanos

Experto en el manejo del programa Solid Works.
IX.
DESARROLLO DEL PROYECTO
Se decidió realizar el proyecto haciendo tres pruebas. Primeramente se
hizo la modificación correspondiente al diseño proporcionado por el Dr. Gonzalo
A. Ramos López, véase la siguiente fotografía.
Fotografía No.1
Diseño base
FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013).
47
A ese diseño base, se le adaptó una base de aluminio para fijar y centrar
las barras que sostendrán la lente plana-convexa. Para ello, se cortó la lámina
de aluminio con dimensiones 9x10 cm. Se le hicieron las perforaciones con la
fresadora, utilizando una broca de 5/16” para realizar las 3 perforaciones sobre
la lámina.
La fotografía No.2,
muestra el proceso de corte y perforación de la
lámina para la fijación de las barras.
Fotografía No.2
Proceso de corte y perforación
FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013).
Se prosiguió a cortar un cuadro de papel milimétrico de 5x5 cm, para
colocarlo sobre la base de aluminio, con la finalidad de proyectar sobre él, la
imagen de la mancha solar. Véase la fotografía No.3.
48
Fotografía No.3
Papel milimétrico
FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013).
Se continúo con el montaje de la lente plana-convexa.
Para realizar la prueba de ajuste y determinar el punto central en la hoja,
se hizo la proyección de luz con una lámpara LED de un teléfono celular y se
ajustó el papel a la posición requerida. Como puede verse en la siguiente
fotografía.
49
Fotografía No.4
Proyección de luz.
FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013).
Prueba 1
Una vez ajustado el equipo, se inició con la primera prueba.
Se
realizaron las mediciones de concentración de luz, para obtener el área de la
mancha solar en el papel. Para ello se registró en la tabla No.2, la distancia
focal base-tuerca, distancia focal base-base, el área proyectada y la relación de
concentración solar calculada (área de la lente/área proyectada), la cual se
muestra en aumento de “x” en la columna de concentración.
50
Tabla No.2
Basetuerca
40 mm
45 mm
50 mm
55 mm
Base-base
45.38 mm
50.20 mm
55.36 mm
60.34 mm
Área y relación de concentración.
Hora de la
fotografía
01:48 p.m.
01:52 p.m.
01:56 p.m.
02:00 p.m.
Área
Relación de concentración
58.43
36.35
24.88
21.16
29.06430222
46.71876695
68.25671941
80.25648293
Elaboró: (Santiago Ramírez, 2013).
Se tomaron 16 fotografías para captar la proyección de la lente, la cual
formó un círculo no perfecto, que en promedio tuvo 0.70 cm 2.
Con base en los datos obtenidos se hizo la siguiente gráfica.
Relación de concentración (X)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
45.38 mm
50.20 mm
55.36 mm
Distancia Base - Base lente
Elaboró: (Santiago Ramírez, 2013).
Gráfica 1.
Prueba 1.
51
60.34 mm
Como puede observarse en la gráfica 1 se tuvo un crecimiento, y no una
curvatura que era lo esperado. Esto se debió a que la prueba se realizó en dos
días separados. Por tal motivo, se tuvo que hacer una segunda prueba.
Prueba 2
Nuevamente se hicieron las mediciones para determinar la relación de
concentración solar. Debido a que las condiciones climatológicas eran las
óptimas, la mancha solar proyectada por la lente resultó visiblemente mucho
mejor al formar una mejor circunferencia. Esto fue debido a que encima de la
lente se colocó un filtro de densidad neutra.
A esta prueba, se le añadió el uso de una aplicación CamScanner para
teléfonos celulares, la cual permite realizar un recorte inteligente y el auto realce
de la fotografía, con la finalidad de darle un mejor tratamiento, mejorando
totalmente la imagen esperada, que pasa de ser una elipse a ser
concretamente un círculo tal cual se muestra en la siguiente fotografía.
52
Fotografía No.5
Tratamiento de la imagen.
FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013).
Como se puede observar, la calidad de la imagen después de ser tratada
en el celular, muestra claramente un mejor manejo de la misma. Debido a que
es posible incluso visiblemente calcular la distancia del diámetro que la mancha
solar proyecta, y con ello determinar su respectiva área.
Después de
proporcionarle el tratamiento adecuado a cada una de las fotografías, se
procedió a utilizar otro software (Klonk Image Measurement), que en este caso
ya es de una computadora.
Klonk Image Measurement, es un software diseñado específicamente
para medir áreas, perímetros y longitudes de imágenes. Con ayuda de este
programa, se pudo determinar el área con una exactitud mucho mayor a la que
se obtenía calculándola visualmente.
53
En la siguiente fotografía, se muestra un ejemplo de como con ayuda del
programa, se determinó la longitud establecida para la obtención del área, y el
resultado obtenido de la medición. Este procedimiento se aplicó a cada una de
las fotografías para obtener su área y poderla tabular en Excel.
Fotografía No.6
Medida de área en Klonk Image Measurement.
FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013).
A continuación se muestra la tabla y las gráficas obtenidas con el área y la
relación de concentración solar, obtenidas con esta prueba, las cuales muestran
respectivamente el área y la relación de concentración en “x” obtenidas con
anterioridad.
54
Tabla 3. Área y relación de concentración.
Foto
(Santiago)
Foto
(David)
Diámetro
aproximado
Área
(David)
Área
(Santiago)
0.61
Relación de
Concentración
(David)
2783.978982
0.58
Relación de
concentración
(Santiago)
2927.977894
16:25:49
16:31
-
16:32:53
16:34
-
0.8
2122.783974
0.74
2294.901593
16:35:53
16:37
0.83
2046.056842
0.81
2096.576764
1.24
1369.538047
1.23
1380.672503
16:42
Poco más de
1 mm
1.5 mm
aprox.
2 mm Aprox.
16:38:56
16:40
16:41:15
1.73
981.6342074
1.66
1023.028421
16:43:20
16:44
2 mm Aprox.
2.13
797.2897553
2.07
820.3996033
16:46:33
16:48
2 mm Aprox.
2.43
698.8589213
2.28
744.8364819
16:49:24
16:51
3.44
493.6706915
3.24
524.144191
16:51:46
16:52
3.62
469.1235301
3.31
513.0595706
16:54:54
16:56
2.1 mm
Aprox.
2.2-2.3 mm
Aprox.
-
5.35
317.4256409
5.22
325.3308772
17:00:29
17:01
-
7.01
242.2578001
6.02
282.097538
16:57:14
16:59
3 mm Aprox.
7.09
239.5242847
7.54
225.2290688
17:02:33
17:03
4 mm Aprox.
9.25
183.5921274
8.95
189.7460535
17:05:05
17:07
11.84
143.4313496
11.31
150.1527125
17:08
17:09
12.78
132.8816259
12.2
139.1989491
17:10:20
17:11
14.61
116.2373155
15.54
109.2810282
17:13
17:15
16.22
104.6995795
16.59
102.3645075
17:16
17:16
4.1 mm
Aprox.
4.2-4.3 mm
Aprox.
4.5 mm
Aprox.
4.8-4.9 mm
Aprox.
5 mm
18.74
90.62044711
18.59
91.35165029
Elaboro: (Santiago Ramírez, 2013).
Como se observa en la gráfica 2, el área máxima lograda fue de 18.74
mm2 y la mínima de 0.58 mm2.
55
20
18
16
14
12
10
Series1
8
6
4
2
67 mm
66 mm
65 mm
64 mm
63 mm
62 mm
61 mm
60 mm
59 mm
58 mm
57 mm
56 mm
55 mm
54 mm
53 mm
52 mm
51 mm
50 mm
0
Gráfica 2. Áreas de la mancha solar.
3000
2500
2000
1500
Series1
1000
500
0
67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50
Gráfica 3. Relación de concentración.
56
En la gráfica 3, se observa que la concentración máxima alcanzada fue
de 2,927.97x y una mínima de 90.62x. Con estos resultados se puede estimar
el espacio aproximado que se tendrá libre para la colocación de un diseño que
soporte la fibra óptica. Sin embargo, al momento de revisar el diseño, se
determinó que debido la lente plana-convexa estaba mal colocada para los
requerimientos (de cabeza).
Prueba 3
En esta prueba, se iniciaron las mediciones a partir de una altura de 40
mm a una de 34 mm. Nuevamente, se repitió el proceso de las anteriores
pruebas, pero con la lente en la posición correcta.
Se tomaron un total de 10 fotografías, siendo en esta ocasión el medio
ambiente mucho más favorable;
debido a que se tuvo un cielo totalmente
despejado. Lo que ayudó a que el anillo marcado por la lente plana-convexa no
sufriera cambios, ni alteraciones marcadas, como se muestra en la siguiente
ilustración.
57
FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013).
Ilustración 15. Medición de área en software Klonk Image Measurement.
En la siguiente tabla se muestran las áreas obtenidas y la relación de
concentración solar de la prueba. Al igual que en la gráfica 4, en la tabla se
incluyen valores que no fueron tomados en las anteriores pruebas, tales como
diámetros aproximados visualmente, y los diámetros obtenidos en los ejes X y Y
de la proyección de la mancha solar sobre la hoja de papel.
58
Tabla 4. Área y relación de concentración
59
250
200
150
Series1
Santiago
100
Exponencial (Series1)
50
R² = 0.9761
0
Gráfica 4. Relación de concentración.
Como se observa en la gráfica 4, la relación de concentración solar
muestra una curva decreciente muy notable, además de que las áreas
resultaron muy constantes al momento de compararlas.
60
X.
RESULTADOS OBTENIDOS
Los resultados obtenidos de la prueba 1 no salieron como se
esperaban, esto debido a que se realizó en dos días continuos y en diferentes
horarios.
Las manchas solares proyectadas por la lente se vieron muy
afectadas por picos incoherentes en la toma de mediciones.
En la prueba 2, los datos obtenidos mostraron como se comportaba la
relación de concentración en una curva marcada. Con ayuda de un filtro de
densidad neutra, la mancha solar proyectada pudo ser analizada de una
manera mucho mejor, pero debido a que la colocación de la lente sobre su base
no fue la correcta, los datos son irrelevantes.
En la prueba 3, se obtuvo una relación de concentración solar mucho
mejor, utilizando el ángulo, la colocación y la fijación correcta de la lente planaconvexa. El anillo de la mancha solar proyectado sobre la hoja de papel
milimétrico fue más notorio, además, con la curva obtenida en esta ocasión, se
determinó que el espacio requerido para la colocación del sistema que
sostendrá la fibra óptica será de 3 cm.
61
XI.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Gracias a la investigación realizada antes y durante la elaboración del
proyecto, se llegó a las siguientes conclusiones y recomendaciones, las cuales
se espera que el equipo de desarrollo de CICATA-IPN considere.
En primer lugar, se tiene que tomar en cuenta que a pesar de que la
iluminación natural por medio de fibra óptica es costosa, con el tiempo esta
ahorrará dinero a la sociedad; ya que la luz solar es una fuente de energía
inagotable que el planeta tiene, y con esto se reducirá el consumo de
electricidad y se disminuirá la contaminación generada por la producción de
energía eléctrica.
Debido a la demora en la entrega de los filtros espectrales, aunado a que
las condiciones medio ambientales no fueron las óptimas, la experimentación
no se pudo llevar a cabo y por tanto el objetivo de la evaluación fototérmica.
Sin embargo, con las pruebas realizadas se obtuvo un gran avance en el
proyecto. Solo es cuestión de construir el sistema que sostendrá la fibra óptica,
esperar a que la temporada de huracanes termine y comenzar con las pruebas
directas.
62
Recomendaciones
Se recomienda realizar la continuación de este proyecto en tiempos de
cielo despejado, para que la nubosidad presente en el cielo no afecte las
pruebas.
El mejor tiempo meteorológico para las pruebas de concentración,
comprende parte de primavera y mediados de verano (julio-agosto), aunque
también puede aprovecharse el solsticio de invierno para la captación de la
energía solar que se requiere para el calentamiento de la fibra óptica.
También es recomendable mantenerse alerta para el aprovechamiento
de cualquier día despejado, sabiendo que con un cielo despejado en el medio
día solar, pueden obtenerse buenos resultados de captación.
63
XIII.
ANEXOS
ANEXO I
DIAGRAMA DE
GANTT
64
XIV. BIBLIOGRAFÍA
Bates, Regis J. Optical Switching and Networking Handbook. New York:
McGraw-Hill, 2001.
Candel Vila Rafael, Meteorología. Idea Books S.A., 1996.
Duffie Johnn A. Solar Engineering of Thermal Processes - New York,
John Wiley and Sons Inc., 1980.
Hetch Eugene, Óptica, Ed. Iberoamericana, 2000. pág. 708.
Manrique
José
A.
Energía
Solar
Fundamentos
Y
Aplicaciones
Fototérmicas, Harla S.A. De C.V., 1984.
Manrique José A. Transferencia de calor. 2° Edición, Alfaomega. 2002.
Méndez Muñiz Javier María. Energía Solar Fotovoltaica. 2° Edición, FC
Editorial. 2007.
Rubio Martínez Baltasar, Introducción a la Ingeniería de la Fibra Óptica,
Editorial Ra-Ma, 1944.
Tomas Perales Benito. Instalación de paneles solares térmicos. 3°
Edición, Alfaomega. 2008.
Van Ness Zemansky, Termodinámica Fundamental. McGraw Hill. 1966.