“Obtención de energía a través del asfalto” Clave del proyecto

Centro Educativo Cruz Azul
Bachillerato Cruz Azul
Clave 6914
Lagunas, Oaxaca.
“Obtención de energía a través del asfalto”
Clave del proyecto: CIN2015A20070
Área: Físico-Matemáticos
Disciplina: Innovación Tecnológica
Modalidad: De campo y experimental
Integrantes:
Abad Guzmán Alexandra
Cruz López Yara
Del Puerto López Yolanda
Asesor: Ing. Martha Elva Cruz Fuentes
Índice
1
Resumen
I
Introducción
1
Planteamiento del Problema
2
Objetivo General
2
Objetivos Específicos
2
Hipótesis
2
Justificación
2
Marco Teórico
3
Metodología
9
Resultados, Avances o Propuestas
10
Conclusión
10
Bibliografía
A
2
Resumen
La energía térmica consiste en el aprovechamiento de la energía del sol
para producir calor. Las carreteras de asfalto están compuestas por una
gran cantidad de hidrocarbonos reaccionando con el oxígeno del aire,
provocan el desprendimiento de vapor: debido al color oscuro, al roce del
vehículo y la radiación del Sol en el asfalto, mantienen una gran
temperatura.
La
radiación
solar
sobre
el
asfalto
genera
grandes
acumulaciones de calor, esta energía se puede aprovechar y utilizar para
transformarla a energía eléctrica. Este proyecto tiene como iniciativa
desarrollar y construir un dispositivo diseñado para aprovechar las grandes
cantidades de calor desprendido por el asfalto. Los beneficios ambientales
serían evidentes, pues la colocación del prototipo no alteraría el paisaje. La
energía almacenada en las carreteras sería útil para alimentar el alumbrado
público, abastecimiento de electricidad a localidades rurales, suministrar aire
acondicionado a edificios y para muchos otros fines. Queremos:
 Divulgar este tipo de obtención de energía, para que sea
implementado en construcciones de carreteras futuras para no dañar
las carreteras ya hechas.
Se aprovechará la energía térmica en el asfalto para generar una cantidad
pequeña
pero
utilizable
de
electricidad.
Cuando
dos
tipos
de
semiconductores se conectan para formar un circuito que une un punto
caliente y uno frío, se genera una pequeña cantidad de electricidad en dicho
circuito. La gran ventaja de este sistema sería que existe una enorme
cantidad de superficie pavimentada disponible.
I
Summary:
Thermal energy is harnessing the sun's energy to produce heat. Asphalt
roads are composed of a large number of hydrocarbons which react with
oxygen in the air, causing this way the release of steam: due to the dark
color, the rub of the vehicle and the Sun's radiation on asphalt, maintain a
high temperature. Solar radiation on asphalt generates large accumulations
of heat, this energy can be harnessed and used to transform that into
electrical energy. This project is an initiative to develop and build a device
designed to take large amounts of heat from the asphalt. The environmental
benefits would be obvious, because the placement of the prototype would not
alter the environment. The energy stored in the roads would be useful to
power street lighting, electricity supply in rural areas, providing air
conditioning buildings and form any other purposes. We want: To
disseminate this type of energy production, to be implemented in future road
construction to avoid damaging on the roads already made. We take the heat
energy in the asphalt to generate a small but usable amount of electricity.
When two types of semiconductors are connected to form a circuit linking
one cold and one hot spot, a small amount of electricity is generated in the
circuit. The great advantage of this system is that there is a huge amount of
paved surface available.
II
Introducción
El presente trabajo se realizó con el enfoque de saber cómo a través del
asfalto se puede obtener energía por medio de un dispositivo o prototipo y
transformarla en energía eléctrica.
La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen
la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que
otro que esté a mayor temperatura. La transferencia de energía térmica de
un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor.
Las Fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza de los
que la humanidad puede obtener energía utilizable en sus actividades. El
origen de casi todas las fuentes de energía es el Sol, que "recarga los
depósitos de energía". Las fuentes de energía se clasifican en dos grandes
grupos: renovables y no renovables; según sean recursos "ilimitados" o
"limitados".
Las Fuentes de energía renovables son aquellas que, tras ser utilizadas, se
pueden regenerar de manera natural o artificial. Algunas de estas fuentes
renovables están sometidas a ciclos que se mantienen de forma más o
menos constante en la naturaleza.
Existen varias fuentes de energía renovables, como son:
Energía mareomotriz (mareas)
Energía hidráulica (embalses)
Energía eólica (viento)
Energía solar (Sol)
Energía de la biomasa (vegetación)
1
Para realizar la investigación consultamos varias páginas que contenían
información relacionada con las características ventajas y desventajas del
asalto, así como de los materiales a utilizar para el desarrollo del prototipo.
Planteamiento del problema:
¿Cuáles son las propiedades físico-químicas y utilidades de la energía
térmica en el asfalto?
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de utilizar la energía térmica
retenida en el asfalto?
Objetivo General
Analizar y comprobar el aprovechamiento de la energía térmica acumulada
en el asfalto mediante un dispositivo diseñado que pueda colocarse en las
vías de comunicación terrestre.
Objetivos Específicos
Construir y/o diseñar el prototipo por el cual se pueda absorber la
energía térmica del asfalto y convertirla en energía eléctrica.
Identificar ventajas y desventajas del aprovechamiento de la energía
térmica
Hipótesis
La obtención energía térmica a través de un PCL implantado en el asfalto,
es factible debido qué aprovecha el calor generado para posteriormente
transformarla en energía eléctrica que se podrá emplear en diversas
aplicaciones cotidianas, reduciendo así el uso de combustibles fósiles y
mitigando el calentamiento global.
Justificación
La idea de realizar este proyecto surgió cuando al reflexionar el efecto
llamado espejismo que se produce al mirar a lo lejos en carreteras calientes.
2
El calor irradiado por las carreteras, es el resultado de estar expuesta al sol
durante muchas horas, ha sido durante mucho tiempo un factor a tener en
cuenta en la explicación de por qué las temperaturas en las ciudades son a
menudo bastante más altas que en las áreas suburbanas o rurales.
En las últimas décadas, el abastecimiento de energía eléctrica ha sido
deficiente y las fuentes de energía tradicionales en las que se obtienen se
han ido acabando, es necesario encontrar nuevas fuentes de energías
renovables que puedan suplir las fuentes energéticas tradicionales y que a
su vez no dañen el ambiente.
Marco Teórico
¿Alguna vez, de viaje en coche, has visto las típicas ondas que aparecen
cuando miras la carretera? Se producen por el calor que acumula el asfalto,
el cual puede alcanzar hasta los 70 grados de temperatura en días con una
gran incidencia de los rayos del sol. Teniendo en cuenta la cantidad de
carreteras que se extienden a lo largo y ancho de nuestra geografía... ¿Por
qué no utilizar ese calor acumulado como energía para climatizar los
edificios?
En muchas zonas urbanas, hay kilómetros y kilómetros de pavimento
asfaltado, que en verano absorbe una gran cantidad de calor, elevando la
temperatura de la calzada, que en ciertas regiones puede llegar fácilmente a
los 60 o 70 grados centígrados. Una de las propiedades del asfalto es que
retiene el calor muy bien, así que incluso después de que el sol se pone, el
pavimento, y hasta el agua en las tuberías que estén ubicadas debajo, se
mantienen calientes.
El planteamiento de K. Wayne Lee de la Universidad de Rhode Island, es
que si se logra desarrollar un modo viable de aprovechar ese calor, se podrá
emplearlo para diversas aplicaciones cotidianas, reduciendo así el uso de
combustibles fósiles y mitigando el calentamiento global. Él ha identificado
varios posibles enfoques.
3
Una de las ideas más simples es colocar células fotovoltaicas flexibles
alrededor de la parte superior de las barreras que dividen las carreteras, con
objeto de proporcionar electricidad al alumbrado público e iluminar las
señales de tráfico.
Otro enfoque práctico para la recolección de energía calorífica solar del
pavimento es valerse de tuberías de agua enterradas bajo el asfalto y
permitir que el sol las caliente. El agua caliente podría entonces circular
hasta los edificios cercanos para satisfacer las necesidades de calefacción o
de agua caliente, de forma similar a como lo hacen las bombas geotérmicas
de calor. Se podría incluso convertir al agua en vapor para mover una
turbina en una pequeña central eléctrica.
Una tercera alternativa es aprovechar un efecto termoeléctrico para generar
una cantidad pequeña pero utilizable de electricidad. Cuando dos tipos de
semiconductores se conectan para formar un circuito que une un punto
caliente y uno frío, se genera una pequeña cantidad de electricidad en dicho
circuito.
La gran ventaja de este sistema, por tanto, está en la enorme cantidad de
superficie pavimentada disponible, sobre todo, en las ciudades y sus
alrededores. El potencial para recuperar toda esa energía es inmenso.
Una última ventaja que muchos ciudadanos agradecerían en verano es la de
extraer el exceso de calor de modo que se reduciría la acumulación de calor
urbano y las noches de verano serían más llevaderas.
El asfalto es una masa densa compuesta de grava y / o arena, polvo fino
calizo molido, betún natural y / o betún procedente de la destilación de
petróleo.
Sus propiedades físico-químicas son:
 El asfalto fundido se aplica en caliente y no requiere compactación
 Es un material completamente impermeable
4
 Es un material ecológico (totalmente insoluble en agua)
 Masa volumétrica : 2 350 kg/m3
 Coeficiente de dilatación total: 4 / 6 x 10-5 /°C
 Difusión de vapor: 1,6 x 10-5 mg/m .h .Pa
 Elasticidad:1 000 N/mm2
 Absorción de rayos solares: 0,90 W/m
 Resistencia específica a la conducción térmica: 104 Ohm/cm
Usos del asfalto:
Agricultura
Edificios y
construcciones
Obras
hidráulicas
Industrial
Pavimentos
Desinfectantes,
protección de
estanques y
árboles, control
de la erosión
por viento y
agua, etc.
Impermeabilización de cubiertas y
suelas, sellados de
juntas, decoración
arquitectónica, etc.
Presas,
barreras de
detención
y/o desvío
de aguas.
Conductores
eléctricos,
protección de
tuberías,
cables,
explosivos e
extintores de
incendio,
revestimientos
de
protecciones
de superficies
Capas
asfálticas,
caminos,
aeropuertos,
calles,
estacionamie
ntos y áreas
industriales.
El asfalto para pavimentación a temperatura atmosférica normal (ambiente)
es un material negro, pegajoso, semi-sólido y altamente viscoso. Está
compuesto primordialmente de moléculas complejas de hidrocarburos, pero
también contiene otros átomos, como ser oxígeno, nitrógeno y sulfuro.
Debido a que el asfalto de pavimentación es pegajoso, se adhiere a las
partículas del agregado y puede ser usado para cementarlas o ligarlas
dentro del concreto asfáltico. El asfalto para pavimentación es impermeable
y no lo afecta la mayoría de los ácidos, álcalis y sales. Es llamado un
material termoplástico porque se ablanda cuando es calentado y se
endurece cuando se enfría. Esta combinación única de características y
propiedades es una razón fundamental para que el asfalto sea un material
de pavimentación importante.
5
La Energía es la capacidad que tiene un cuerpo o sistema físico de producir
trabajo, cuenta con las siguientes características:
La cantidad de energía se conserva en cualquier proceso.
Permanece constante.
Es necesaria para que el sistema pueda realizar transformaciones ya
sea sobre sí mismos o sobre otros cuerpos.
Existen tres tipos fundamentales de energía en todo cuerpo o sistema
posee:
 Energía interna: Relacionada a la composición y al estado del cuerpo
 Energía cinética: Relacionada al estado de movimiento del cuerpo
 Energía potencial: Relacionada a la posición que ocupa un cuerpo en
un campo de fuerzas.
Energía Térmica
Asociada a la agitación interna molecular
Asociada al concepto de temperatura
La energía no se puede crear ni destruir; se puede transformar de una forma
a otra1, pero la cantidad total de energía nunca cambia. La energía
mecánica considera la relación entre ambas.
Usos de la energía térmica:
Doméstica
Aprovecharse
cocinar
Aplicaciones industriales
Tecnológico
para Se basan principalmente en para
alimentos, calentar
agua
producción
para de
energía
agua caliente para uso posteriormente ser utilizada en mecánica
doméstico(sanitaria,
procesos de lavado y secado partir
calefacción)
productos.
de
y
a
ella
energía eléctrica
Fuente: http://www.blogenergiasostenible.com/energia-termica-aplicaciones/
1Ley
de conservación de la energía. Lavoisier.
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Diagrama de ventajas y desventajas de la utilización de la energía térmica
acumulada en el asfalto convertido a energía eléctrica:
El calor irradiado por las carreteras, resultado de estar expuestas al sol
durante muchas horas, ha sido durante mucho tiempo un factor a tener en
cuenta en la explicación de por qué las temperaturas en las ciudades son a
menudo bastante más altas que en las áreas suburbanas o rurales
cercanas. Ahora un equipo de expertos en ingeniería está analizando
métodos para aprovechar esa energía solar almacenada en las carreteras,
para alimentar el alumbrado público, iluminar las señales de tráfico,
suministrar calefacción a edificios y potencialmente utilizar esa energía para
muchos otros fines.
Sensores de Temperatura
Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios
de temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por un
equipo eléctrico o electrónico. Hay tres tipos de sensores de temperatura,
los termistores, los RTD y los termopares.
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El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento
sensor, de cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que
está rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los
cambios se transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se
conectarán el equipo electrónico.
PCL (Dispositivo electrónico)
Dispositivo electrónico y programable por el usuario
Destinado a gobernar máquinas o procesos lógicos y/o secuenciales
inicialmente surgen para implementar funciones lógicas
Funciones del PLC:
Reemplazar la lógica de relés para el comando de q motores,
máquinas
Reemplazar temporizadores y contadores electromecánicos
Controles sencillos de LA y/o LC
Interface computador/proceso
Control y comando de tareas repetitivas o peligrosas
Detección de fallas y manejo de alarmas
Regulación de aparatos remotos q posibilidad para ambientes
peligrosos
Ventajas:
Menor cableado
Reducción de espacio
Mayor Facilidad para mantenimiento y puesta a punto
Flexibilidad de configuración y programación
Reducción de costos
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Metodología
Para fines de esta investigación se relacionó el trabajo documental con la de
campó, para poder realizar la experimentación, a continuación se presenta la
forma en la que se llevó a cabo dicha investigación.
a) Trabajo documental:
Se realizó investigaciones en libros de física de biblioteca escolar y de libros
o enciclopedias que teníamos en nuestros hogares relacionados con la
termología, así como el empleo de páginas electrónicas para recopilar
información necesaria para el desarrollo del prototipo.
b) Trabajo de campo:
Ésta parte de la investigación es muy dinámica, se realizará la toma de
temperatura de la carretera transistmica del tramo Matías Romero- Juchitán
de Zaragoza Oaxaca con el permiso de la secretaria de comunicación y
transporte de Salina Cruz Oaxaca. Y también acudimos a protección civil de
Juchitán de Zaragoza Oaxaca para solicitar el informe sobre las
temperaturas más altas de la región que requeriremos para llevar acabo
posibles conversiones para realizar el prototipo.
c) Trabajo experimental
Esta parte del proyecto es la más importante, ya que a partir de ciertos
materiales y el diseño de un prototipo, se pretende demostrar la hipótesis
planteada.
Zona de estudio: Carretera transistmica Matías Romero - Juchitán Zaragoza
Oaxaca.
Materiales:
PCL:
dispositivo
lógico
programable
(tiene
entradas/salidas
analógicas y digitales) RSLOGIC 1000
Sensor de temperatura
Lámpara de luz
Recipiente donde se concentrará el calor
Software para programar el dispositivo lógico programable
9
Imagen del diseño propuesto
Resultados, avances o propuestas.
 Divulgar este tipo de obtención de energía, para que sea
implementado en construcciones de carreteras futuras para no dañar
las carreteras ya hechas.
 Para aplicar este método de obtención de energía, se desarrollará
una fuente más de empleos.
 Se podrá destinar la energía térmica transformada en eléctrica a
viviendas de poblaciones rurales cercanas a carreteras para su uso,
pues por la cercanía, sus casas son más calientes.
 Con el uso de ésta fuente de energía, los costos de energía eléctrica
será más barato.
 Es una fuente energía ecológica.
Conclusiones.
Al realizar este proyecto se tuvo la intención de desarrollar un modelo para
la captura de energía térmica, que sea eficiente y pueda implementarse en
carreteras de la región considerando la transformación de dicha energía a
eléctrica.
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Se propuso el desarrollo de un prototipo que tiene como primer objetivo
lograr capturar la energía térmica, posteriormente esta energía será
transformada en energía eléctrica siendo así este prototipo capaz de
encender una bombilla y demostrar que es posible lograr la transformación
de energía térmica a eléctrica a través de un PLC considerando la ley de la
conservación de la energía y con esto, destinarla al aprovechamiento de los
distintos lugares en los que se genere.
Esta inquietud de realizar este trabajo se dio a partir de observar de qué
manera el planeta con el paso del tiempo se ha ido deteriorando debido a
fenómenos como el calentamiento global o el efecto invernadero, lo que
provoca que los rayos emitidos por el sol se queden en el suelo y muchas
veces este calor no logra evaporarse y regresar en su totalidad a la
atmosfera.
Lo que se idealizó con este proyecto fue aprovechar el calor que emite el
asfalto, y poder transformarla en energía eléctrica, de este modo esa
energía podrá ser útil para comunidades o para distintos usos, también
prolongar la vida útil del asfalto ya que se podría disminuir las grietas,
porque al colocarle este tipo de dispositivos le dará un mejor mantenimiento
a las carreteras para el buen funcionamiento del equipo, así mismo esto será
beneficioso para la automovilistas, ya que no estarán demasiadas
deterioradas las carreteras, pues los hidrocarburos del asfalto que contienen
las carreteras cuando están en contacto con el oxígeno tienden a oxidarse,
lo que provoca que la carretera se vaya deslavando.
11
Bibliografía
Pérez, Héctor. (2003) Física General. (2ª edición)México ,DF: Grupo
Patria Cultural
Hernández Mendoza A. &Cuéllar Roa H.I.,(2006)Presupuesto de
obras, consultado en:
http://www.ingenieria.unam.mx/herescas/papime/alumnos_herecas/M
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Caussa, M. (1998). Enciclopedia autodidáctica, Interactiva (4to.
Volumen) Barcelona, España: Océano Grupo Editorial.
Alberto Pinto. Ingeniería Real.(2014). Bajo la licencia de creative
commons. http://ingenieriareal.com/propiedades-quimicas-del-asfalto/
Webmaster.
La
energía
térmica
y
sus
aplicaciones.
(2012)
http://www.blogenergiasostenible.com/energia-termica-aplicaciones/
UNCPBA. (s.f.). 06capítulo(PLC).pdf. Obtenido de
https://www.auomationdirection.com/.../d00
A