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: 2012.10.22 09:49:18 -05'00'
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO
Nombre del proyecto:
“Automatización de un sistema de destilación solar”
Empresa:
Universidad Tecnológica de Querétaro
Memoria que como parte de los requisitos para obtener el titulo de:
INGENIERO EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
Presenta
José Alfredo Contreras González
Asesor de la UTEQ
Adrián Morales Pérez
Asesor de la Empresa
José Ramón Pérez Contreras
Santiago de Querétaro, Qro. A 17 de Octubre de 2012
1
RESUMEN
En la vida cotidiana es de vital importancia el correcto uso de los insumos, por lo
tanto actualmente nos encontramos en la búsqueda constante de aumentar la
eficiencia de todos los procesos que utilicen recursos naturales con el fin de
preservar los mismos para asegurar que podremos disponer de ellos en el futuro.
En la Universidad Tecnológica del Estado de Querétaro se tiene un notable
compromiso por encontrar y desarrollar nuevas tecnologías que sean mas
amigables con el medio ambiente y que sean dependientes únicamente de
energías renovables. Este proyecto surge como la necesidad de demostrar que el
romper con los paradigmas de la necesidad de los combustibles fósiles para la
creación de energía eléctrica puede contribuir en gran medida a la disminución de
la emanación de gases de efecto invernadero a la atmosfera, ya que al contar
únicamente con elementos alimentados eléctricamente con base en la energía
solar y un efecto de vacío creado por la física llamado el principio de torricelli es
capas de destilar el agua sin la necesidad de otra fuente de energía externa mas
que la energía solar. es necesario el medir y controlar las distintas etapas del
proceso en si, ya que al tratarse de un sistema autónomo es necesaria la
automatización del mismo, esto será posible mediante la implementación de
electroválvulas que a su ves estarán controladas por un controlador lógico
programable (PLC) y este alimentado también por energía solar.
(Palabras clave: energía solar, sistema autónomo, automatización, PLC, )
ABSTRACT
Everyday is very important the correct use of inputs, so now we are in constant
search for make more efficient all the processes that use natural resources to
preserve it's and ensure that we have them in the future. In the Technological
University of the State of Queretaro has a notorious commitment to finding and
developing new technologies that are friendlier to the environment and are
dependent solely on renewable energy. This project comes as the need to
demonstrate that the break with the paradigms of the need for fossil fuels to create
electricity can contribute largely to reduced emission of greenhouse gases into the
atmosphere, because the process need only the basic elements in electrically
powered by the solar energy, the vacuum effect created by physics called the
principle of torricellii is capable of distilling water without the need for another
external power that solar energy. is necessary to measure and control the various
stages of the process, because it's a self-contained system, and is necessary the
automation, this will be possible by implementing the solenoid valves, which in turn
will be controlled by a programmable logic controller (PLC ) and this also powered
by solar energy.
(Keywords: solar energy, autonomous system, automation, PLC)
2
DEDICATORIAS.
Quiero dedicar este trabajo en primera parte a dios que me ha
puesto en el camino apropiado para lograr mis objetivos y me a
ayudado a encontrar la madurez requerida para afrontar cualquier
situación.
A mis padres que siempre me han brindado su apoyo
incondicional en todos los aspectos, por impulsarme en todo
momento y no permitir que abandonara en ningún momento la
búsqueda de mis sueños.
A mis hermanos que de alguna manera me han ayudado en
los momentos mas difíciles y me han apoyado en todos los aspectos
para continuar con determinación la búsqueda de mi superación
personal.
A mis amigos por ayudarme en todo momento, por los
consejos recibidos y por impulsarme en momentos de flaqueza, por
estar siempre al pendiente de las necesidades que tenia para
apoyarme en medida que fue posible.
A todos ellos muchas gracias hoy por fin les puedo decir.
¡Lo hemos logrado! Y todo esto nunca hubiera sido posible sin el
apoyo de todos ustedes por ello mi eterna gratitud y de mi parte les
puedo asegurar que voy a ser una persona integra y que ejerza su
carrera con todo el profesionalismo que se me ha inculcado en la
Universidad Tecnológica del Estado de Querétaro y que los
representare en todo momento con la mas grande alegría y
dedicación ya que estoy convencido que ese es el camino hacia el
éxito.
3
ÍNDICE
Página
Resumen
2
Abstract
2
Dedicatorias
3
Índice
4
I.INTRODUCCION
5
II.ANTECEDENTES
8
III.JUSTIFICACION
10
IV.OBJETIVOS
11
V.ALCANCES
13
VI.FUNDAMENTACION TEORICA
14
6.1 ENERGÍA SOLAR
14
6.2 PANELES FOTOVOLTAICOS
18
6.3 REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN
32
6.4 DESTILACIÓN
36
6.5 EXPERIMENTO DE TORRICELLI
37
6.6 SENSORES
39
6.7 PLC
42
6.8 ELECTROVALVULA
44
6.9 TIPOS DE BOMBAS SOLARES
48
VII.PLAN DE ACTIVIDADES
51
VIII.RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
53
IX.DESARROLLO DEL PROYECTO
54
X.RESULTADOS OBTENIDOS
66
XI.ANALISIS DE RIESGOS
67
XII.CONCLUCIONES
68
XIII.RECOMENDACIONES
69
XIV.REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
70
4
I.
INTROCUCCIÓN.
Actualmente las reservas de recursos no renovables son suficientes
para abastecer los requerimientos de la población actual, mas sin embargo
se estima que de continuar con la misma tendencia en cuanto a los
consumos de los mismos, en un futuro no muy lejano los recursos se
agotaran dejando a la sociedad sin reservas energéticas. Es por ello que
actualmente se utilizan en muchos campos las energías renovables como
una opción de energía limpia y como el nombre lo indica renovable, sin
mencionar la disponibilidad de ellas a lo largo del planeta.
De entre ellas se considera a la energía solar como una de las mas
prometedoras ya que la energía solar es percibida por la mayor parte de la
superficie terrestre de una manera constante (a excepción de lo polos en
donde en ocasiones deja de recibir rayos ultravioleta directamente
por
periodos de hasta 6 meses), existen tecnologías muy avanzadas para el
aprovechamiento de la energía solar, que únicamente están en espera de
ser utilizadas en sistemas para ayudarlos a situarlos en la vanguardia de sus
campos de operación aumentando su efectividad y reduciendo sus costos
energéticos al obtener su energía de una manera prácticamente gratuita.
5
II. ANTECEDENTES
En la actualidad el volumen de agua existente sobre nuestro planeta,
que es de aproximadamente 1.400 millones de km³, ha permanecido
inalterado durante los cinco mil millones de años de su vida. Inicialmente el
agua se encontraba en forma de vapor, sufriendo un proceso de
condensación por el lento enfriamiento, y dando lugar a precipitaciones
hasta alcanzar un cierto equilibrio entre el agua superficial y el agua
evaporada.
No obstante, una gran porción de esta agua es salada, como
consecuencia del proceso de salinización sufrido al infiltrarse entre los
minerales de la corteza terrestre. En un balance general, de los 1.400
millones de km³ de agua en el mundo, sólo 33 millones son de agua dulce
(ver fig.1).
Agua Salada
Agua Dulce
6
De esta cantidad habría que descontar el 87,3% que está en forma de
hielo en los casquetes polares y glaciares, y el 12,3% que constituye el agua
atmosférica en incesante movimiento de evaporación, en el fenómeno
denominado ciclo hidrológico o ciclo del agua. Por lo tanto, la cantidad de
agua realmente aprovechable es el 0.4% una cantidad muy pequeña y
sometida además a numerosas fuentes de contaminación, por lo que debe
ser utilizada racionalmente (ver fig.2).
Congelada
Atmosferica
Dulce
En comparación con el agua existente en el mundo la que disponemos
es de tan solo un 0.01%, es decir 0.132 millones de km³ (ver fig.3).
Salada
Congelada
Atmosferica
Dulce
7
La arquitectura sustentable es una de las disciplinas que buscan
introducir nuevos sistemas e instalaciones dentro de los edificios para
conseguir un uso racional del agua. Los edificios sustentables incorporan
estrategias de proyecto no sólo con vistas al confort y el ahorro de energía,
sino también al aprovechamiento y reutilización del agua.
A nivel mundial, se estima que el 40% del agua potable se utiliza para
el funcionamiento del sistema sanitario en edificios, con un alto desperdicio.
Debido a esto, en un primer momento se restringió dicho derroche mediante
dispositivos manuales y automáticos en los artefactos sanitarios. Aun así el
consumo sigue creciendo.
El diseño sustentable busca incorporar en los edificios sistemas que
recojan, acumulen y distribuyan el agua en un momento posterior a su uso
con el fin de volver a utilizarla en aplicaciones no potables. Es necesario
aislarla en drenajes específicos, de esta forma, salvo el agua para beber, la
higiene y cocinar, el resto entra en un ciclo de permanente reciclado.
8
Debido a que se requiere energía para el funcionamiento de las
bombas de agua que se precisan para la utilización de esta agua, pueden
incorporarse
también generadores
solares
fotovoltaicos que
eviten
el
consumo eléctrico. La función de los sistemas hidráulicos de los edificios
sustentables es reutilizar los efluentes después de un tratamiento físicoquímico, y utilizar dispositivos economizadores en los principales puntos de
utilización.
Los efluentes con bajo contenido de materia orgánica (aguas grises),
debidamente tratados pueden ser un suministro complementario al sistema
del agua potable. Pero requieren un sistema independiente para los
diferentes puntos de utilización.
9
III. JUSTIFICACIÓN
Casi toda actividad humana utiliza el agua, en procesos que la
contaminan y mezclan con sustancias que imposibilitan su posterior
consumo, haciendo cada vez menor el recurso de agua potable en el mundo,
situación alarmante.
El agua utilizada, sucia o con restos de elementos químicos recibe el nombre
de “aguas residuales” y es importante saber que es posible hacerla pasar
por un proceso de depuración que separa estas sustancias nocivas y la deja
lista para su uso nuevamente.
El reciclaje de aguas en general es una herramienta de la que ya no
podremos prescindir durante los próximos años, dada la evolución de
nuestro clima hacia un carácter desértico.
El reciclaje de aguas grises consiste en la instalación de un sistema de
reciclaje que recolecta el agua que proviene exclusivamente de los lavabos,
duchas y bañeras. El agua reciclada es cristalina e higienizada, y puede
aprovecharse para cualquier uso en el que no sea necesario agua potable,
tal como el riego, limpiezas, cisterna del váter, etc. De esta forma se
consigue un ahorro de miles de litros anuales de agua, con el consiguiente
ahorro de dinero y de energía. Además, una ventaja adicional es que con un
10
sistema de este tipo, nos aseguramos del abastecimiento de agua
dulce incluso en el caso de que existan restricciones en la red pública, lo
cual ocurrirá en unos años debido al cambio climático.
El uso racional del agua remite al control y gestión del consumo de agua. Es
un concepto incluido en la política general de gestión de los recursos
naturales renovables y asociado a un desarrollo sostenible que debe permitir
el aprovechamiento de los recursos, en este caso del agua, de manera
eficiente garantizado su calidad, evitando su degradación con el objeto de no
comprometer ni poner en riesgo su disponibilidad futura. Estos principios se
aplican en proyectos de ingeniería, arquitectura, urbanismo y agricultura que
esté concebido en el marco de la protección y conservación de los recursos
naturales. El agua se considera un recurso renovable limitado.
La Comisión Estatal de Servicios Públicos de Tijuana (CESPT), México, en
su portal http://www.cuidoelagua.org/, advierte que uno los mayores
desafíos del siglo XXI consistirá en administrar juiciosamente los recursos
hídricos: “El empleo de aguas de calidad inferior, por ejemplo, aguas
residuales, desagües o agua salobre, se convertirá sin duda en una práctica
corriente a medida que las fuentes de agua dulce se vayan haciendo cada
vez más escasas en todo el mundo. El reúso del agua mediante distintos
niveles de tratamiento resulta conveniente para propiciar un mayor
aprovechamiento de este recurso vital”.
11
Pone el ejemplo de que para regar un campo de fútbol se necesitan 2,628
metros cúbicos de agua al mes, mientras que si se utiliza agua residual
tratada para este fin se liberará agua potable suficiente para abastecer a 243
personas durante ese mismo período.
IV OBJETIVOS

Implementar automatización en proceso de destilación al vacío.

Diseñar secuencia lógica para automatizar el sistema de vacío
con base en energía solar.

Asegurar que el proceso sea 100% autosuficiente y realice su
función de manera autónoma.

Definir sensores necesarios para controlar las variables del
proceso.
12
V ALCANCES
Este proyecto forma parte del continuo interés que tiene la Universidad
Tecnológica del Estado de Querétaro en mantenerse a la vanguardia como
una de las principales precursoras de la energía renovable. El proyecto
consiste en realizar un diseño eléctrico para automatizar el proceso de
destilación de agua al vacío, asegurando el correcto funcionamiento del
proceso y la autonomía del mismo, se requiere estudiar y comparar diversos
elementos para tomar la mejor decisión de inversión ya que el presupuesto
será otorgado por la universidad y es conveniente ser lo mas austero
posible, sin dejar a un lado la calidad del proyecto. Es necesario realizar
pruebas en el laboratorio y cálculos necesarios para llevar a escala real el
proyecto y el sistema sea una opción para poder reutilizar el agua de
distintos procesos.
Se establece que se instalara el sistema en la parte trasera del edificio
de Tecnología Ambiental dentro de la Universidad Tecnológica del Estado de
Querétaro en un periodo de cuatro meses comenzando en el mes de mayo y
concluyendo en el mes de agosto.
13
VI. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
VI. 1 Energía solar.
La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz
y el calor emitidos por el Sol. Desde que surgió se le catalogó como la
solución perfecta para las necesidades energéticas de todos los países
debido a su universalidad y acceso gratuito ya que, como se ha mencionado
anteriormente, proviene del sol. Para los usuarios el gasto está en el proceso
de instalación del equipo solar (placa, termostato…). Este gasto, con el paso
del tiempo, es cada vez menor por lo que no nos resulta raro ver en la
mayoría de las casas las placas instaladas. Se puede decir que no
contamina y que su captación es directa y de fácil mantenimiento.
La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por
medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación, por
ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas
energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido
como energía limpia o energía verde, si bien, al final de su vida útil, los
paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente
reciclable al día de hoy.
La potencia de la radiación varía según el momento del día; las
condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir
que en buenas condiciones de radiación el valor es de aproximadamente
14
1000 W/m² en la superficie terrestre. A esta potencia se la conoce como
irradiancia.
La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o
en la suma de ambas. La radiación directa es la que llega directamente del
foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La difusa es la emitida
por la bóveda celeste diurna gracias a los múltiples fenómenos de reflexión y
refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos
atmosféricos y terrestres.
La
radiación directa
puede
reflejarse
y
concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz
difusa que proviene de todas las direcciones.
La irradiancia directa normal (o perpendicular a los rayos solares)
fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor
medio de 1354 W/m² (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de
1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²).
Según informes de Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría
suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. La
Tierra recibe 174 petavatios de radiación solar entrante (insolación) desde la
capa más alta de la atmósfera. Aproximadamente el 30% es reflejada de
vuelta al espacio mientras que el resto es absorbida por las nubes, los
océanos y las masas terrestres. El espectro electromagnético de la luz solar
15
en la superficie terrestre está ocupado principalmente por luz visible y rangos
de infrarrojos con una pequeña parte de radiación ultravioleta.
La cantidad de energía solar recibida anual es tan vasta que equivale
aproximadamente al doble de toda la energía producida jamás por otras
fuentes de energía no renovable como son el petróleo, el carbón, el uranio y
el gas natural.
VI. 1.1 Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:

Energía solar activa: para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60
°C), se utiliza en casas; de media temperatura, alcanza los 300 °C; y
de alta temperatura, llega a alcanzar los 2000 °C. Esta última, se
consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van dirigidos a un
reflector que lleva a los rayos a un punto concreto. También puede
ser por centrales de torre y por espejos parabólicos.

Energía solar pasiva: Aprovecha el calor del sol sin necesidad de
mecanismos o sistemas mecánicos.

Energía solar térmica: Es usada para producir agua caliente de baja
temperatura para uso sanitario y calefacción.
16

Energía solar fotovoltaica: Es usada para producir electricidad
mediante placas de semiconductores que se alteran con la radiación
solar.

Energía solar termoeléctrica: Es usada para producir electricidad con
un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a
alta temperatura (aceite térmico).

Energía solar híbrida: Combina la energía solar con otra energía.
Según la energía con la que se combine es una hibridación:
o Renovable: biomasa, energía eólica.
o No renovable: Combustible fósil.

Energía eólico solar: Funciona con el aire calentado por el sol, que
sube por una chimenea donde están los generadores.
La instalación de centrales de energía solar en la zonas marcadas en el mapa podría
proveer algo más que la energía actualmente consumida en el mundo (asumiendo una
eficiencia de conversión energética del 8%), incluyendo la proveniente de calor, energía
eléctrica, combustibles fósiles, etcétera.
17
VI. 1.2 Usos de la energía solar

Potabilización de agua.

Cocina solar.

Destilación.

Evaporación.

Fotosíntesis.

Secado.

Arquitectura sostenible.

Cubierta Solar.

Acondicionamiento y ahorro de energía en edificaciones.

Calentamiento de agua.

Calefacción doméstica.

Iluminación.

Refrigeración.

Aire acondicionado.

Energía para pequeños electrodomésticos.
VI. 2 Paneles Fotovoltaicos.
Los paneles fotovoltaicos se deben situar de tal forma que a lo largo del
período de utilización el equipo solar aproveche día a día el máximo posible
de la radiación incidente. Por ello, preferentemente se orientarán hacia el
Sur geográfico y no hacia el Sur magnético (definido mediante una brújula).
18
Una manera práctica de encontrar el sur geográfico es colocar una varilla
vertical y seguir la dirección de su sombra a las doce horas o mediodía solar.
El ángulo de inclinación que forman los paneles fotovoltaicos con el
plano horizontal es un factor importante en la eficacia del equipo solar. Los
Paneles Fotovoltaicos deberían inclinarse de modo que los rayos del sol
incidan perpendicularmente en su superficie al mediodía solar. El ángulo de
inclinación de los Paneles Fotovoltaicos dependerá de las estaciones del
año.
Durante el año, las estaciones cambian dependiendo de la cantidad de
radiación solar que llega a la Tierra mientras gira alrededor del Sol. Las
estaciones ocurren a medida que la Tierra, que tiene una inclinación sobre
su eje, da una vuelta alrededor del Sol cada año. Es verano en el hemisferio
que está inclinado hacia el Sol e invierno en el hemisferio que está inclinado
lejos del Sol. A medida que la Tierra viaja alrededor del Sol, el hemisferio
que está inclinado cerca o lejos del Sol cambia.
El hemisferio que está inclinado hacia el Sol es más caliente porque la
luz solar viaja más directamente hacia la superficie de la Tierra y menor
cantidad de luz se esparce por la atmósfera. Esto significa que cuando es
verano en el hemisferio norte, es invierno en el hemisferio sur. El hemisferio
que está inclinado hacia el Sol tiene días más largos y noches más cortas.
19
Por eso es que durante el verano los días son más largos que durante el
invierno.
En general, durante verano e invierno, las temperaturas bajan a medida
que nos alejamos del ecuador. En el ecuador no hay estaciones porque
todos los días los rayos del Sol arriban, aproximadamente en el mismo
ángulo. Todos los días del año, el ecuador recibe unas 12 horas de luz solar.
Los polos se mantienen fríos porque nunca están inclinados en dirección a la
trayectoria de los rayos del Sol. La luz debe viajar a través de tanta
atmósfera que gran parte se esparce antes de llegar a la superficie de la
Tierra. A mediados del invierno, cuando un polo está inclinado lejos del Sol,
no hay luz diurna en el polo. El Sol nunca sale. Sin embargo, durante el
verano, un polo recibe luz solar todo el tiempo.
Debido a que el ángulo con que se recibe la radiación solar cambia con
las estaciones del año, una buena práctica para la inclinación de los paneles
fotovoltaicos en el hemisferio norte es:

Utilización a lo largo de todo el año, el ángulo de inclinación
igual a la latitud geográfica del lugar donde se instale.
20

Inclinación preferentemente durante el Invierno: ángulo de
inclinación igual a la latitud geográfica + 10º, la fecha de cambio
de la inclinación es 22 o 23 Septiembre (Equinoccio de Otoño).

Uso preferente durante el período de verano: ángulo de
inclinación igual a la latitud geográfica – 10º, la fecha de cambio
de la inclinación es 20 o 21 Marzo (Equinoccio de primavera).
Como se ilustra en la figura, la altura aparente del sol en el cielo esta variando cíclicamente
en el año, alcanzando su mínima altura En el solsticio de invierno y su máxima altura en el
solsticio de verano.
Los paneles o módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de
celdas que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. El
parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia
21
pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede
entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:
- radiación de 1000 W/m²
- temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
VI. 2.1 Generaciones de células fotovoltaicas.

La primera generación de células fotovoltaicas consistían en una gran
superficie de cristal simple. Una simple capa con unión diodo p-n,
capaz de generar energía eléctrica a partir de fuentes de luz con
longitudes de onda similares a las que llegan a la superficie de la
Tierra provenientes del Sol.

La segunda generación de materiales fotovoltaicos se basan en el uso
de depósitos epitaxiales muy delgados de semiconductores sobre
obleas con concentradores. Hay dos clase de células fotovoltaicas
epitaxiales: las espaciales y las terrestres. Las células espaciales,
usualmente, tienen eficiencias más altas 28-30%. En las terrestres la
película delgada se ha desarrollado usando procesos de bajo coste,
pero tienen una eficiencia 7-9%.

La tercera generación de células fotovoltaicas para aplicaciones
espaciales, se están estudiando dispositivos de huecos cuánticos y
22
dispositivos que incorporan nanotubos de carbono, con un potencial
de más del 45% de eficiencia. Para aplicaciones terrestres, se
encuentran en fase de investigación dispositivos que incluyen células
foto electroquímicas, células solares de polímeros, células solares de
nano cristales y células solares de tintas sensibilizadas, los paneles
foto voltaicos se dividen en:

Cristalinos
o Mono cristalinos: se componen de secciones de un único
cristal de silicio, donde los 4 lados son cortos.
o Poli cristalinos: cuando están formadas por pequeñas
partículas cristalizadas.

Amorfos: cuando el silicio no se ha cristalizado.
Su efectividad es mayor, en medida que los cristales son mas grandes,
pero también su peso, grosor y costo. El rendimiento de las primeras puede
alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar al 10%, sin
embargo su costo y peso es muy inferior.
Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica (aislada) de silicio
poli cristalina oscilan alrededor del 10%. Para células de silicio mono
cristalino, los valores oscilan en el 15%. Los más altos se consiguen con los
23
colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede alcanzar un 70%
de rendimiento en la transferencia de energía solar a térmica).
VI. 2.2 Principio de funcionamiento
Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan
sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo
absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el
arseniuro de galio. Los electrones, subpartículas atómicas que forman parte
del exterior de los átomos, son golpeados por los fotones liberándose de los
átomos a los que estaban originalmente confinados. Esto les permite,
posteriormente, circular a través del material y producir electricidad.
Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que
pierden los electrones, se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto
al de los electrones, en el panel solar.
Representación de la diferencia de potencial, o voltaje de corriente con respecto al tiempo
en corriente continua.
24
Cuando un fotón llega a una pieza de silicio, pueden ocurrir tres
acontecimientos:

El fotón puede pasar a través del material de silicio sin
producir ningún efecto; esto ocurre, generalmente, para
fotones de baja energía.

Los fotones pueden ser reflejados al llegar a la superficie
del panel, y son expulsados de este.
 El fotón es absorbido por el silicio, en cuyo caso puede ocurrir:
o
Generar calor
o
Producir pares de electrones-huecos, si la energía
del fotón incidente es más alta que la mínima necesaria para
que los electrones liberados lleguen a la banda de
conducción.
Cuando se absorbe un fotón, la energía de este se comunica a un
electrón de la red cristalina. Usualmente, este electrón está en la banda de
valencia, y está fuertemente vinculado en enlaces covalentes que se forman
entre los átomos colindantes. El conjunto total de los enlaces covalentes que
forman la red cristalina da lugar a lo que se llama la banda de valencia. Los
electrones pertenecientes a esa banda son incapaces de moverse más allá
25
de los confines de la banda, a no ser que se les proporcione energía, y
además una energía determinada. La energía que el fotón le proporciona es
capaz de excitarlo y promocionarlo a la banda de conducción, que está vacía
y donde puede moverse con relativa libertad, usando esa banda, para
desplazarse, a través del interior del semiconductor.
El enlace covalente del cual formaba parte el electrón, tiene ahora un
electrón menos. Esto se conoce como hueco. La presencia de un enlace
covalente perdido permite a los electrones vecinos moverse hacia el interior
de ese hueco, que producirá un nuevo hueco al desplazarse el electrón de al
lado, y de esta manera, y por un efecto de traslaciones sucesivas, un hueco
puede desplazarse a través de la red cristalina. Así pues, se puede afirmar
que los fotones absorbidos por el semiconductor crean pares móviles de
electrones-huecos.
Un fotón solo necesita tener una energía más alta que la necesaria
para llegar a los huecos vacíos de la banda de conducción del silicio, y así
poder excitar un electrón de la banda de valencia original a dicha banda.
El espectro de frecuencia solar es muy parecido al espectro del cuerpo
negro cuando este se calienta a la temperatura de 6000K y, por tanto, gran
cantidad de la radiación que llega a la Tierra está compuesta por fotones con
energías más altas que la necesaria para llegar a los huecos de la banda de
conducción. Ese excedente de energía que muestran los fotones, y mucho
26
mayor de la necesaria para la promoción de electrones a la banda de
conducción, será absorbido por la célula solar y se manifestará en un
apreciable calor en lugar de energía eléctrica utilizable.
Esquema eléctrico.
Los módulos fotovoltaicos funcionan, por el efecto fotoeléctrico. Cada
célula fotovoltaica está compuesta de, al menos, dos delgadas láminas de
silicio. Una dopada con elementos con menos electrones de valencia que el
silicio, denominada P y otra con elementos con más electrones que los
átomos de silicio, denominada N.
Aquellos fotones procedentes de la fuente luminosa, que presentan
energía adecuada, inciden sobre la superficie de la capa P, y al interactuar
27
con el material liberan electrones de los átomos de silicio los cuales, en
movimiento, atraviesan la capa de semiconductor, pero no pueden volver.
La capa N adquiere una diferencia de potencial respecto a la P. Si se
conectan unos conductores eléctricos a ambas capas y estos, a su vez, se
unen a un dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía que,
usualmente y de forma genérica se denomina carga, se iniciará una corriente
eléctrica continua.
La unión p-n.
La célula solar más usual está fabricada en silicio y configurada como
un gran área de unión p-n. Una simplificación de este tipo de placas puede
considerarse como una capa de silicio de tipo n directamente en contacto
con una capa de silicio de tipo p. En la práctica, las uniones p-n de las
células solares, no están hechas de la manera anterior, más bien, se
elaboran por difusión de un tipo de dopante en una de las caras de una
oblea de tipo p, o viceversa.
Si la pieza de silicio de tipo p es ubicada en íntimo contacto con una
pieza de silicio de tipo n, tiene lugar la difusión de electrones de la región
con altas concentraciones de electrones hacia la región de bajas
concentraciones de electrones.
28
Cuando los electrones se difunden a través de la unión p-n, se
recombinan con los huecos de la cara de tipo p. Sin embargo, la difusión de
los portadores no continua indefinidamente. Esta separación de cargas, que
la propia difusión crea, genera un campo eléctrico provocado por el
desequilibrio de las cargas parando, inmediatamente, el flujo posterior de
más cargas a través de la unión.
El campo eléctrico establecido a través de la creación de la unión p-n
crea un diodo que permite el flujo de corriente en un solo sentido a través de
dicha unión. Los electrones pueden pasar del lado de tipo n hacia el interior
del lado p, y los huecos pueden pasar del lado de tipo p hacia el lado de tipo
n. Esta región donde los electrones se han difundido en la unión se llama
región de agotamiento porque no contiene nada más que algunos portadores
de carga móviles. Es también conocida como la región de espacio de
cargas.
Una placa o célula solar puede operar en un amplio rango de voltajes e
intensidades de corriente. Esto puede lograrse variando la resistencia de la
carga, en el circuito eléctrico.
VI. 2.3 Eficiencia en la conversión de energía
La eficiencia de una célula solar ( , "eta"), es el porcentaje de potencia
convertida en energía eléctrica de la luz solar total absorbida por un panel,
29
cuando una célula solar está conectada a un circuito eléctrico. Este término
se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido
entre la luz que llega a la celda irradiancia (E, en W/m²), bajo condiciones
estándar (STC) y el área superficial de la célula solar (Ac en m²).
La STC especifica una temperatura de 25 °C y una irradiancia de 1000
W/m² con una masa de aire espectral de 1,5 (AM 1,5). Esto corresponde a la
irradiación y espectro de la luz solar incidente en un día claro sobre una
superficie solar inclinada con respecto al sol con un ángulo de 41,81º sobre
la horizontal. Esta condición representa, aproximadamente, la posición del
sol de mediodía en los equinoccios de primavera y otoño en los estados
continentales de los EEUU con una superficie orientada directamente al sol.
De esta manera, bajo estas condiciones una célula solar típica de 100 cm 2, y
de una eficiencia del 12%, aproximadamente, se espera que pueda llegar a
producir una potencia de 1,2 vatios.
VI. 2.4 Energía fototérmica
Los sistemas fototérmicos convierten la radiación solar en calor y lo
transfieren a un fluido de trabajo. El calor se usa entonces para calentar
30
edificios, agua, mover turbinas para generar electricidad, secar granos o
destruir desechos peligrosos. Los Colectores Térmicos Solares se dividen en
tres categorías:

Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas
menores de 65 ºC mediante absorbedores metálicos o no metálicos
para
aplicaciones
tales
como
calentamiento
de
piscinas,
calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas
aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es
mayor de 60 ºC, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc.

Colectores
de
temperatura
media.
Son
los
dispositivos
que
concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor
temperatura, usualmente entre los 100 y 300 ºC. En esta categoría se
tiene a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos,
todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia
un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar
solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que
su utilización queda restringida a zonas de alta insolación.

Colectores de alta temperatura. Existen en tres tipos diferentes: los
colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal
parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas
superiores a los 500 ºC y se usan para generar electricidad y
31
transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son
operados por productores independientes y se instalan en regiones
donde las posibilidades de días nublados son remotas.
VI. 3 Refrigeración por absorción
Esquema del ciclo de refrigeración por absorción.
El sistema de refrigeración por absorción es un medio de producir frío
que, al igual que en el sistema de refrigeración por compresión, aprovecha
que las sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso.
Así como en el sistema de compresión el ciclo se hace mediante un
compresor, en el caso de la absorción, el ciclo se basa físicamente en la
capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de
absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor. Otra posibilidad
32
es emplear el agua como sustancia absorbente (disolvente) y como
absorbida (soluto) amoníaco.
Más en detalle, en el ciclo agua-bromuro de litio, el agua (refrigerante),
en un circuito a baja presión, se evapora en un intercambiador de calor,
llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, que refrigerará
ambientes o cámaras. Acto seguido el vapor es absorbido por el bromuro de
litio (absorbente) en el absorbedor, produciendo una solución concentrada.
Esta solución pasa al calentador, donde se separan disolvente y soluto por
medio de calor procedente de una fuente externa; el agua vuelve al
evaporador, y el bromuro al absorbedor para reiniciar el ciclo. Al igual que
los sistemas de compresión que utilizan agua en sus procesos, el sistema
requiere una torre de enfriamiento para disipar el calor sobrante.
VI. 3.1 Ventajas e inconvenientes.
El rendimiento, medido por el COP (coefficient of performance), es
menor que en el método por compresión (entre 0,8 y 1,2 frente a 3 y 5,5 ). Si
bien es cierto que el COP obtenido mediante compresión tiene en cuenta la
energía eléctrica invertida en el compresor, que no es energía primaria en si.
En cambio en un sistema de absorción la energía utilizada para el
cálculo del COP es el calor aportado al generador, que sí es una energía
primaria evaluable. Por tanto no se pueden comparar el COP de compresión
33
y de absorción (es mejor y más útil compararlos a través del segundo
principio de la termodinámica, para valorar la calidad de la energía utilizada).
Un ejemplo de esta situación podría ser una instalación de aire
acondicionado solar: si se utilizasen placas fotovoltaicas sólo se podría
utilizar un 15-20% de electricidad en comparación con unos paneles solares
térmicos que podrían aprovechar hasta el 90% de la energía solar recibida, y
a un precio de instalación mucho más reducido. El conjunto completo
paneles solares-absorción tendría un COP de entre 0,72 y 1,08 y el de
compresión entre 0,54 (18% paneles y COP de 3, muy habitual) y 1,1 (20%
paneles y COP de 5,5).
Si se utiliza la energía eléctrica de la red, para el sistema de
compresión, cuando ésta llega a la toma de corriente lo hace con un
rendimiento inferior al 25% sobre la energía primaria utilizada para
generarla, lo que reduce mucho las diferencias de rendimiento (0,8 frente a
1,37).
A pesar de ello en ciertos casos, cuando la energía proviene de una
fuente de calor económica, incluso residual o un subproducto destinado a
desecharse, compensa ampliamente utilizar un sistema de absorción.
34
Al calor aportado al proceso de refrigeración se le suma el calor
sustraído de la zona enfriada. Con lo que el calor aplicado puede reutilizarse.
Sin embargo, el calor residual se encuentra a una temperatura más baja (a
pesar de que la cantidad de calor sea mayor), con lo que sus aplicaciones
pueden reducirse.
También se pueden utilizar intercambiadores de placas, para
precalentar la solución de agua-bromuro de litio, antes de pasar al
calentador (separador), utilizando el bromuro de litio ya calentado, el cuál a
su vez se enfría.
Los aparatos generadores por absorción son más voluminosos y
requieren inmovilidad (lo que no permite su utilización en automóviles, lo que
sería muy conveniente como ahorro de energía puesto que el motor tiene
grandes excedentes de energía térmica, disipada en el radiador).
Otras de las formas de aprovechamiento, es a través de la
Cogeneración (en este caso, mejor dicho, Trigeneración), es decir, el
aprovechamiento del calor residual de las centrales termoeléctricas, es decir,
de una energía gratuita.
35
VI. 4 Destilación.
La destilación es la operación de separar, mediante evaporización y
condensación, los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en
líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes
puntos de ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto de
ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía
en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.
La destilación simple o destilación sencilla es una operación donde los
vapores producidos son inmediatamente canalizados hacia un condensador,
el cual los enfría [condensación (física)] de modo que el destilado no resulta
puro. Su composición será diferente a la composición de los vapores a la
presión y temperatura del separador y pueden ser calculada por la ley de
Raoult. En esta operación se pueden separar sustancias con una diferencia
entre 100 y 200 grados Celsius, ya que si esta diferencia es menor, se corre
el riesgo de crear azeótropos.
VI. 4.1 Destilación al vacío
La destilación al vacío consiste en generar un vacío parcial por dentro
del sistema de destilación para destilar sustancias por debajo de su punto de
ebullición normal. Este tipo de destilación se utiliza para purificar sustancias
36
inestables por ejemplo las vitaminas. Lo importante en esta destilación es
que al crear un vacío en el sistema se puede reducir el punto de ebullición
de la sustancia casi a la mitad.
VI. 4.1 Agua destilada.
El agua destilada es aquella cuya composición se basa en la unidad de
moléculas de H2O. Es aquella a la que se le han eliminado las impurezas e
iones mediante destilación. La destilación es un método en desuso para la
producción de agua pura a nivel industrial. Esta consiste en separar los
componentes líquidos de una mezcla.
Debido a su relativamente elevada pureza, algunas propiedades físicas
de este tipo de agua son significativamente diferentes a las del agua de
consumo diario. Por ejemplo, la conductividad del agua destilada es casi
nula (dependiendo del grado de destilación) pues a diferencia del agua del
grifo común, carece de muchos iones que producen la conductividad,
habitualmente cloruros, calcio, magnesio y fluoruros.
VI. 5 Experimento de Torricelli.
Estamos sumergidos dentro de un fluido, la atmósfera, por tanto, nos
encontramos sometidos a una presión, ésta se conoce como presión
atmosférica. Es una presión elevada pero estamos tan acostumbrados a ella
37
que ni nos enteramos. Por ser un gas no es posible calcularla mediante el
principio fundamental pero se puede medir experimentalmente.
El primero en medirla fue Torricelli en el siglo XVII, realizó un famoso
experimento. Tomó un tubo de un metro de largo y lo llenó hasta el borde
con mercurio. A continuación tapó con el dedo el extremo abierto, dio la
vuelta al tubo e introdujo su extremo, sin que se derrame nada, en un
recipiente que también contenía mercurio. Quitó el dedo y observó que el
mercurio descendía en el interior del tubo hasta alcanzar una altura de 76
cm en lugar del metro inicial.
VACÍO
PRESIÓN
ATMOSFÉRICA
76 cm
A
B
38
VI. 6 Sensores.
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en
variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por
ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación,
desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc.
Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica, una
capacidad eléctrica, una Tensión eléctrica, una corriente eléctrica, etc. Un
sensor diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en
contacto con la variable de instrumentación con lo que puede decirse
también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el
fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro
dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la
propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de
la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que
convierte una forma de energía en otra.
Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, robótica,
industria aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc.
39
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener
ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde
el sensor, etc.
VI. 6.1 Características de un sensor.

Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que
puede aplicarse el sensor.

Precisión: es el error de medida máximo esperado.

Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida
cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no
llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se
establece otro punto de referencia para definir el offset.

Linealidad o correlación lineal.

Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a
salida y la variación de la magnitud de entrada.

Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que
puede apreciarse a la salida.
40

Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de
cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del
sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.

Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como
magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por
ejemplo,
pueden
ser
condiciones
ambientales,
como
la
humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento
(oxidación, desgaste, etc.) del sensor.

Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma
medida.

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud
que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida.
Pueden ser de indicación directa o pueden estar conectados a
un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico
a digital, un computador y un display) de modo que los valores
detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su
lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un
circuito de acondicionamiento, que adaptan la señal a los niveles apropiados
para el resto de los circuitos.
41
VI. 7 PLC.
Los controladores lógicos programables o PLC (programmable logic
controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados
en automatización industrial.
VI. 7.1 Usos
Como su mismo nombre lo indica, se ha diseñado para programar y
controlar procesos secuenciales en tiempo real. Por lo general, es posible
encontrar este tipo de equipos en ambientes industriales.
Los
PLC
sirven
para
realizar
automatismos;
son
dispositivos
electrónicos que reproducen programas informáticos, que permiten controlar
procesos.
VI. 7.2 Funciones.
Para que un PLC logre cumplir con su función de controlar, es
necesario programarlo con cierta información acerca de los procesos que se
quiere secuenciar. Esta información es recibida por captadores, que gracias
al programa lógico interno, logran implementarla a través de los
accionadores de la instalación.
42
A través de los dispositivos de entradas, formados por los sensores
(transductores de entradas) se logran captar los estímulos del exterior que
son procesados por la lógica digital programada para tal secuencia de
proceso que a su vez envía respuestas a través de los dispositivos de
salidas (transductores de salidas, llamados actuadores).
Un PLC es un equipo comúnmente utilizado en maquinarias
industriales de fabricación de plástico, en máquinas de embalajes, en
automóviles, entre otras; en fin, son posibles de encontrar en todas aquellas
maquinarias que necesitan controlar procesos secuenciales, así como
también, en aquellas que realizan maniobras de instalación, señalización y
control.
Dentro de las funciones que un PLC puede cumplir se encuentran
operaciones como las de detección y de mando, en las que se elaboran y
envían datos de acción a los preaccionadores y accionadores. Además
cumplen la importante función de programación, pudiendo introducir, crear y
modificar las aplicaciones del programa.
VI. 7.3 Ventajas.
Dentro de las ventajas que estos equipos poseen se encuentra que,
gracias a ellos, es posible ahorrar tiempo en la elaboración de proyectos,
43
pudiendo realizar modificaciones sin costos adicionales. Por otra parte, son
de tamaño reducido y mantenimiento de bajo costo, además permiten
ahorrar dinero en mano de obra y la posibilidad de controlar más de una
máquina con el mismo equipo. Sin embargo, y como sucede en todos los
casos, los controladores lógicos programables, o PLC’s, presentan ciertas
desventajas como es la necesidad de contar con técnicos cualificados y
adiestrados específicamente para ocuparse de su buen funcionamiento.
VI. 8 Electroválvulas.
Una electroválvula es una válvula electromecánica, diseñada para
controlar el flujo de un fluido a través de un conducto como puede ser una
tubería. La válvula está controlada por una corriente eléctrica a través de
una bobina solenoide.
44
A- Entrada
B- Diafragma
C- Cámara de presión
D- Conducto de vaciado de presión
E- Solenoide
F- Salida.
VI. 8.1 Clases y funcionamiento
Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la
válvula. El solenoide convierte energía eléctrica en energía mecánica para
actuar la válvula. En algunas electroválvulas el solenoide actúa directamente
sobre la válvula proporcionando toda la energía necesaria para su
45
movimiento. Es corriente que la válvula se mantenga cerrada por la acción
de un muelle y que el solenoide la abra venciendo la fuerza del muelle. Esto
quiere decir que el solenoide debe estar activado y consumiendo energía
mientras la válvula deba estar abierta.
También es posible construir electroválvulas biestables que usan un
solenoide para abrir la válvula y otro para cerrar o bien un solo solenoide que
abre con un pulso y cierra con el siguiente. Las electroválvulas pueden ser
cerradas en reposo o normalmente cerradas lo cual quiere decir que cuando
falla la alimentación eléctrica quedan cerradas o bien pueden ser del tipo
abiertas en reposo o normalmente abiertas que quedan abiertas cuando no
hay alimentación.
Hay electroválvulas que en lugar de abrir y cerrar lo que hacen es
conmutar la entrada entre dos salidas. Este tipo de electroválvulas a menudo
se usan en los sistemas de calefacción por zonas lo que permite calentar
varias zonas de forma independiente utilizando una sola bomba de
circulación. En otro tipo de electroválvula el solenoide no controla la válvula
directamente sino que el solenoide controla una válvula piloto secundaria y
la energía para la actuación de la válvula principal la suministra la presión
del propio fluido.
El gráfico adjunto muestra el funcionamiento de este tipo de válvula. En
la parte superior vemos la válvula cerrada. El agua bajo presión entra por A.
46
B es un diafragma elástico y tiene encima un muelle que le empuja hacia
abajo con fuerza débil. La función de este muelle no nos interesa por ahora y
lo ignoramos ya que la válvula no depende de él para mantenerse cerrada.
El diafragma tiene un diminuto orificio en el centro que permite el paso
de un pequeño flujo de agua. Esto hace que el agua llene la cavidad C y que
la presión sea igual en ambos lados del diafragma. Mientras que la presión
es igual a ambos lados, vemos que actúa en más superficie por el lado de
arriba que por el de abajo por lo que presiona hacia abajo sellando la
entrada. Cuanto mayor sea la presión de entrada, mayor será la fuerza con
que cierra la válvula.
Hasta ahora estaba bloqueado por el núcleo del solenoide E al que un
muelle empuja hacia abajo. Si se activa el solenoide, el núcleo sube y
permite pasar el agua desde la cavidad C hacia la salida con lo cual
disminuye la presión en C y el diafragma se levanta permitiendo el paso
directo de agua desde la entrada A a la salida F de la válvula. Esta es la
situación representada en la parte inferior de la figura. Si se vuelve a
desactivar el solenoide se vuelve a bloquear el conducto D y el muelle
situado sobre el diafragma necesita muy poca fuerza para que vuelva a bajar
ya que la fuerza principal la hace el propio fluido en la cavidad C.
47
Una electroválvula tiene dos partes fundamentales: el solenoide y la
válvula. El solenoide convierte la energía eléctrica suministrada en energía
magnética y esta a su vez la transforma en mecánica para actuar la válvula.
En algunas electroválvulas el solenoide actúa directamente sobre la válvula
proporcionando toda la energía necesaria para su movimiento. Es corriente
que la válvula se mantenga cerrada por la acción de un muelle y que el
solenoide la abra venciendo la fuerza del muelle. Esto quiere decir que el
solenoide debe estar activado y consumiendo energía mientras la válvula
deba estar abierta.
VI. 9 Tipos de bombas solares.

Bombas de Diafragma Superficiales.
Bombas autocebantes que se utilizan en manantiales poco profundos
en donde la succión no supera los 5 metros.

Bombas de Diafragma Sumergibles
Bombas ideales para pozos perforados o a cielo abierto.

Bombas Centrífugas Sumergibles
48
Este tipo de bombas se usa en donde los requerimientos de agua
llegan hasta 200 metros cúbicos diarios (manantiales poco profundos) o en
pozos en donde el agua se encuentre hasta 120 metros de profundidad.
Bombas de Diafragma Superficiales
Producto
Descripción
Bomba de diafragma, 12 V, superficie, autocebante hasta 3
FL30
m. Bombea 600 litros/hora a 10 m..
Bomba de diafragma, 12 V, superficie, autocebante hasta 3
FL40
m. Bombea 260 litros/hora a 40 m y 160 litros/hora a 25 m
CDT.
Bombas de Diafragma Sumergibles
Producto
Descripción
Bomba sumergible de diafragma, bronce grado marino
SDS-D-128
SDS-D-128 (hasta 1,500 litros diarios @ 70 m CDT con
160 watts de módulos solares). Salida de 5/8"
Bomba sumergible de diafragma, bronce grado marino
SDS-Q128
SDS-Q-128 (hasta 3,500 litros diarios @ 35 m CDT con
160 watts de módulos so)
PCA30M
Controlador/Acoplador de máxima potencia, 8 A, 30 V.
49
Bombas Centrífugas Sumergibles
Producto Descripción
3 SQF-2 Bomba Sumergible Grundfos, Acero Inoxidable, mod. 3SQF-2
6 SQF-2 Bomba Sumergible Grundfos, Acero Inoxidable, mod. 6SQF-2
11 SQF-2 Bomba Sumergible Grundfos, Acero Inoxidable, mod.11SQF-2
25 SQF-6 Bomba Sumergible Grundfos, Acero Inoxidable, mod. 25SQF-6
75 SQF-3 Bomba Sumergible Grundfos, Acero Inoxidable, mod. 75SQF-3
IO-50
Interruptor de interfase modelo IO-100
CU-200
Interruptor de Interfase modelo CU200
FLO-01
Flotador / Interruptor de nivel para CU-200
50
VII.PLAN DE ACTIVIDADES
MAYO
SEMANA 2
SEMANA 3
SEMANA 1
NO.
DESCRIPCIÓN
L M M
7
8
J
V
L M M
J
V L M M
J V
SEMANA 4
L M M
J
SEMANA 5
V L M M
9 10 11 14 15 16 17 18 21 22 23 24 25 28 29 30 31 1
4
5
6
JUNIO
SEMANA 6
SEMANA 7
J
V L M M
J
SEMANA 8
J
V L M M
V L M M
7
8 11 12 13 14 15 18 19 20 21 22 25 26 27 28 29
1 Introducción al sistema de vacio con energia solar.
2 Desarrollo de diagrama de sistema de vacio.
3
Estudio de proceso y levantamiento de sensores
necesarios para automatizar.
4 Desarrollo de programa en simulador Zelio soft 2.
5 Cotización de elementos necesarios.
6 Propuesta de sistema automatico.
7 Instalación de sistema de automatización.
8 Pruebas de funcionamiento.
9 Validación de sistema.
51
J
V
SEMANA 9
NO.
DESCRIPCIÓN
SEMANA 10
L M M
J
2
5 6
3
4
V L M M
J
JULIO
SEMANA 11
V L M M
J
SEMANA 12
V L M M
J
SEMANA 13
SEMANA 14
AGOSTO
SEMANA 15
V L M M
J
V L M M
J
2
3
9 10 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 27 28 29 30 31
7
8
J
V L M M
J
SEMANA 17
9 10 11 12 13 16 17 18 19 20 23 24 25 26 27 30 31 1
6
V L M M
SEMANA 16
V L M M
1 Introducción al sistema de vacio con energia solar.
2 Desarrollo de diagrama de sistema de vacio.
3
Estudio de proceso y levantamiento de sensores
necesarios para automatizar.
4 Desarrollo de programa en simulador Zelio soft 2.
5 Cotización de elementos necesarios.
6 Propuesta de sistema automatico.
7 Instalación de sistema de automatización.
8 Pruebas de funcionamiento.
9 Validación de sistema.
52
J
V
VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS
Se requiere a la universidad los elementos necesarios para la
instalación del mismo los cuales son:

3 sensores de nivel.

3 electroválvulas.

3 electro niveles.

1 bomba solar

1 refrigerador solar

1 calentador solar
53
IX. DESARROLLO DEL PROYECTO
Se asignó el proyecto dentro de la Universidad Tecnológica del Estado
de Querétaro como parte de un programa de posgrado en energía renovable
por parte de un profesor de la carrera de Tecnología Ambiental.
54
El prototipo se encuentra en proceso de desarrollo y la idea fue
desarrollar un programa que ayudara al proceso de destilación del agua a
ser 100% automático.
Esto es posible mediante la implementación de un control PLC
(programmable logic controller en sus siglas en inglés) o Control Lógico
Programable, ya que en base a la manipulación de las variables en el
proceso se pueden generar gracias a diversos tipos de sensores, impulsos
eléctricos; que a su vez pueden ser interpretados por el PLC para actuar de
una manera y enviar de igual modo impulsos eléctricos dependiendo de la
programación que se le asigne.
Cuando se realizó la introducción al sistema de vacío se planteo el
sistema como un destilador solar con base en diversos procesos físicos,
afirmando que el proceso seria capaz de destilar agua basándose
únicamente en energías renovables.
El sistema consistía en un principio únicamente de un contenedor para
el agua a tratar, en el cual se planeó introducir un intercambiador de calor
para lograr elevar la temperatura del agua a tratar. Esto seria posible
mediante la adquisición e instalación de un calentador solar en el interior del
contenedor de agua a tratar, para continuar el proceso se adaptaría una
bomba con base en energía solar para lograr levantar una columna de agua
a ocho metros (8 Mts.) por el nivel de suelo dentro de una tubería de tres
cuartos de pulgada (¾”), de ahí llegaría a un contenedor con capacidad de
cincuenta litros (50 Lts.). En este contenedor existían dos válvulas; una de
55
dos posiciones y una vía ubicada en la parte superior derecha del
contenedor con la cual se podría expulsar el aire asentado en el contenedor
al momento de comenzar a bombear el agua a tratar y una de dos
posiciones y una vía ubicada en la parte inferior central del contenedor por la
cual comenzaría a fluir el agua a tratar generando vacío en el contenedor
superior y gracias al principio de Torricelli y a la relativamente elevada
temperatura para este entonces del agua se manifestaría el proceso de
evaporación del agua, separando de este modo el material contaminante del
agua tratada, al evaporarse el agua de los agentes contaminantes pasaría a
un refrigerador solar el cual enfriaría el vapor de agua para lograr la
condensación y finalizar el proceso de destilación en la parte inferior del
refrigerador solar se ubicaría otra válvula de dos posiciones, la cual serviría
como control de acceso a un contenedor para el agua destilada.
Cuando se planteo el proceso se procedió a investigar los equipos y
estudiar las variables presentes en el sistema con el fin de encontrar la
manera mas efectiva para implementar la automatización se optó por realizar
el programa de automatización en un PLC de la marca Zelio, por lo cual se
procedió a realizar la programación en el software llamado Zelio soft.
Se planteó una propuesta de automatización en base a dos sensores,
uno de nivel superior (I1) y un sensor de vacío (I3), ubicados ambos en el
56
contenedor con capacidad de cincuenta litros y dos sensores de flujo, uno en
cada una de las válvulas que continuaban en proceso es decir en la bajada
del mismo contenedor un sensor (I3) y en la bajada del agua tratada otro
(I4). El proceso comenzaría activando un botón de arranque (I2), el cual al
momento de ser accionado activaría el proceso y dando arranque a la
bomba que enviaría el agua a tratar al contenedor con capacidad para
cincuenta litros, al mismo tiempo que cambiaria de posición una válvula de
alivio ubicada en la parte superior del mismo para asegurar la expulsión del
aire existente en el proceso, al detectar el sensor superior de nivel que el
agua a tratar es la adecuada es decir los 50 litros, se detendría la bomba y
la válvula de alivio cambiaria de posición bloqueando el sistema para que no
existan filtración alguna que altere el vacío que se generaría al cambiar de
posición la válvula ubicada en la parte inferior del contenedor de 50 litros,
cuando el sensor de vacío, no encontrase una falta de presión se procedería
a abrir la válvula ubicada en el contenedor de agua tratada para asegurar
que exista un flujo del vapor de agua y se enviaría a un sistema de
enfriamiento para condensarlo para así concluir con el proceso de
destilación al vacío.
57
58
Esta idea se modifico debido a que se planteo una problemática para
realizar algún ajuste en la parte superior del sistema y se pidió una nueva
alternativa la cual fuera capaz de automatizar el proceso situando los
sensores a un nivel más accesible.
Después de estudiar el nuevo proceso se desarrolló un nuevo sistema
de automatización el cual ubicaría los sensores en el principio del proceso
en el contenedor de agua a tratar y trataba de dos sensores de niveles de
nivel en el contenedor primario de agua a tratar (I1), (I2), su función seria
detectar cuando el agua tratada aportara cincuenta litros a la parte posterior
del proceso y así controlar el proceso, se requeriría de dos sensores en el
primer contenedor; uno ubicado en el nivel superior (I1) y otro ubicado en la
parte inferior (I2) y se planteó el programa pensando en que el sensor I2
seria el encargado de iniciar con la secuencia al momento de energizar el
proceso y este se encontrase censando, la bomba de recirculado (Q5), al
momento que el nivel de agua alcance la parte superior I1 enviaría una señal
para que el PLC detuviera Q5 y accionara la bomba para levantar el agua a
tratar (Q1) y accionara la válvula de alivio (Q2), al momento en que el nivel
decreciera hasta el punto en el cual I2 ya no censara se detendría Q1 y Q2,
La válvula para crear el vacío (Q3) y la válvula de paso para el contenedor
de agua tratada (Q4), se abrirían permitiendo así el vacío y el flujo del vapor
de agua por el sistema de enfriamiento y concluyendo con la destilación.
59
Se pidió uno mas por la posibilidad de requerir cierto retardo en la
apertura de la válvula de acceso al contenedor de agua destilada Q4 por lo
cual se realizó otro programa adaptándose un timer.
60
61
Se pidió un cambio en esta idea ya que en el laboratorio de pruebas, el
vacío no era el apropiado para llevar a escala real. Se comentó que el
proceso sufriría un cambio significativo en la forma de operación, existía la
nueva necesidad de que la bomba ayudará a bajar la presión del contenedor
con capacidad de cincuenta litros para asegurar que el vacío dentro del
contenedor fuera suficiente para que el agua se evaporara.
Al estudiar este nuevo proceso se planteo el realizar un inversor de giro
en la bomba para ayudar a bajar la presión y se realizaron cambios en las
secuencias del programa Zelio soft debido a que las variables presentaban
cambios significativos que afectaban directamente a la programación.
Se pidió tiempo para verificar un cambio radical en el proceso de
operación en el laboratorio, al momento de replantear las condiciones
secuenciales se llego a la ultima requisición aplicada de automatización la
cual se había probado en el laboratorio de pruebas de tecnología ambiental,
se replanteo de una manera prácticamente total, ya que se cambio la
secuencia, se cambiaron las condiciones de operación y de censado, al
mismo tiempo que se añadieron al sistema bombas y sensores no previstos
anteriormente, la propuesta secuencial final fue la siguiente.
62
SECUENCIA DE OPERACIÓN
Estado inicial: todas las Válvulas automáticas cerradas y todas las
válvulas manuales abiertas.
1. Prende la Bomba 1 y abre las Válvulas 1 y 2, para llenar el
evaporador.
2. Cuando el sensor de flujo detecta que está pasando líquido, cierra la
Válvula 1 y apaga la Bomba 1.
3. Invierte la polaridad de la Bomba 1 y la arranca, hasta evacuar
parcialmente el evaporador.
4. Abren las Válvula 3 y 5, y prende la Bomba 3 para llenar el
condensador.
5. Cuando el sensor de flujo detecta que está pasando líquido, cierra las
Válvulas 2, 3 y 5, y apaga la Bomba 3.
6. Invierte la polaridad de la Bomba 3 y la arranca, para evacuar
parcialmente el condensador.
63
7. Abre las Válvulas 1 y 3 y arranca la Bomba 2, para iniciar el proceso
de destilación (Ojo: estas válvulas van a estar abiertas bastante
tiempo).
8. Cuando la temperatura en el sensor 1 sea menor a la temperatura de
operación fijada, se detiene todo el proceso. (Hay que fijar un valor en
el PLC)
9. Cuando la diferencia de temperatura entre los sensores 1 y 2 sea
menor a 6°C, y el evaporador esté a más del 50% de su capacidad,
se repite la secuencia de 1 a 7.
10. Cuando la diferencia de temperatura entre los sensores 1 y 2 sea
menor a 6°C, y el evaporador esté a menos del 50% de su capacidad,
abren Válvulas 1, 2, 4 y 5, para evacuar la solución concentrada y se
reinicia el proceso desde el paso 1.
64
El esquema general del sistema quedaría de la siguiente forma.
Al requerir de comparadores de temperatura, el PLC Zelio con el que
se cuenta se convierte en una opción no valida ya que este tipo de
comparadores se utilizan como señales analógicas en las cuales los PLC
Zelio que existen en la Universidad no se pueden configurar debido a las
características de fabricación y aplicación de los mismos.
65
X. RESULTADOS OBTENIDOS
Los resultados obtenidos a lo largo del proyecto se fueron cumpliendo
en gran medida, en si ya que según se explicaba la secuencia sobre la cual
operaria el sistema se probaron en el Zelio soft, demostrando la
funcionalidad de la misma y el ciclo repetitivo del mismo mientras las
condiciones bajo las cuales se opero estuvieran presente.
Los principales objetivos y resultados se resumen en la siguiente tabla.
OBJETIVOS
Implementar automatización en proceso de
destilación al vacío.
Diseñar secuencia lógica para automatizar el
sistema de vacío con base en energía solar.
RESULTADO
Se implementa automatización en proceso de
destilación al vacío en base a las
especificaciones del software Zelio Soft.
Se diseña secuencia lógica para automatizar
proceso de vacío requeridos aplicados a PLC's
Zelio en existencia en la Universidad.
Se asegura que el proceso es 100%
Asegurar que el proceso sea 100% autosuficiente y autosuficiente y realiza su función de manera
realice su función de manera autónoma. 
autónoma gracias a la propuesta de una bomba
de recirculado.
Definir sensores necesarios para controlar las
variables del proceso.
Se definen sensores y condiciones de
operación del sistema de vacío en base en
energía solar.
66
XI. ANÁLISIS DE RIESGO
Este proyecto se encuentra en fase de desarrollo dentro del laboratorio,
se están realizando aun al día de hoy diversas pruebas en el laboratorio de
la carrera de Tecnología Ambiental, por parte del docente líder del proyecto
José Ramón Pérez Contreras y algunos alumnos de la misma carrera, es por
ello que se han realizado diversas modificaciones con el fin de asegurar que
el proceso pueda ser realizado en una escala real, también es necesario
para pedir el recurso ya que tiene que justificarse y ser requerido a la
universidad, sumándosele el tiempo de cotizaciones, tiempos de orden de
compra, tiempos de respuesta y el trascurso de toda la adquisición en si, por
estas razones el proyecto en si tendió a ser prologado en base al tiempo de
desarrollo y no fue posible el instalar físicamente la parte de automatización,
sin embargo se planteo el proyecto con los elementos necesarios para la
automatización, la cotización de las válvulas, bombas y el desarrollo del
programa de automatización para el PLC.
67
XII. CONCLUSIONES
Es de vital importancia el asegurar en todo momento la funcionalidad
de todo proyecto antes de intentar adquirir los elementos para realizarlo, de
no haber continuado con las pruebas en el laboratorio, el recurso se hubiera
gastado de una manera errónea y el proyecto no hubiera sido útil para la
función que requería ya que existían fallas que impedirían el vacío en
primera parte, al encontrarse situaciones adversas en el proceso se optó por
continuar investigando y desarrollando el proceso para evitar la una
eficiencia baja en el sistema, al continuar con las pruebas de laboratorio se
encuentra con un sistema mucho mas eficiente en todos aspectos que en un
principio y se propone un programa de automatización, así como los
elementos necesarios para llevarla acabo, mas sin embargo el proceso de
investigación y desarrollo continua para aumentar la capacidad de
evaporación y eficiencia del proceso en si, los programas realizados en el
software Zelio soft propuestos fueron simulados y aseguran el correcto
funcionamiento del sistema de automatización siempre y cuando la
instalación sea la adecuada y se apegue en todo momento a las condiciones
de diseño bajo las cuales fueron desarrollados.
68
XIII. RECOMENDACIONES
Se realiza una propuesta de automatización que asegura que el
proceso funciona en tanto las condiciones bajo las cuales se desarrollo el
programa se mantengan en condiciones ideales, es de suma importancia el
verificar en todo momento el entorno que rodea al proceso, es decir se
deben de evitar fugas al momento de instalar los sensores, las bombas
deben evitar trabajar en vacío, por lo cual también se propuso el acoplar una
bomba de recirculado desde un principio y se debe utilizar todas las válvulas
de accionamiento eléctrico o poner un sello mecánico para impedir que se
cierren las válvulas manuales en medio del proceso, ya que podría ocasionar
daños irreparables a los elementos de automatización tales como:

Bombas

Sensores

Válvulas

PLC
69
XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

W. Bolton. Ingeniería de control 2ª. Edición Edit. Alfaomega.

Antonio Barrientos. Control de sistemas continuos Edit. Mc Graw
Hill.

Jorge Arboleda. Teoría y práctica de la purificación del agua
Edit. Mc Graw Hill.
70