Imperium Científica Tomo 001

IMPERIUM C I E N T Í F I C A A R T Í C U L O S

D E

I N V E S T I G A C I Ó N

TOMO 001 / ENE / 2020

COLEGIO DE INGENIEROS MECÁNICOS, ELECTRICISTAS, ELECTRÓNICOS Y RAMAS AFINES DEL ESTADO DE VERACRUZ

21 y 22

NO DEJES PASAR ESTA OPORTUNIDAD DE CAPACITACIÓN Y ACTUALIZACIÓN ÚNICA EN SU TIPO EN TODO EL PAÍS.

Estimado lector: El Colegio de Ingenieros Mecánicos, Electricistas, Electrónicos y Ramas Afines del Estado de Veracruz, te presenta con orgullo este valioso trabajo editorial con las más destacadas aportaciones presentadas durante el Décimo Primer Congreso Internacional de Instalaciones Electromecánicas 2019, dando inicio a través de esta entrega, de lo que consideramos constituye un documento de alto valor para nuestro sector, cuidadosamente seleccionado por los integrantes de nuestro Consejo editorial, para servir en el presente y futuro como referente de investigación en lo que a la ingeniería se refiere.

Cabe mencionar que el CIIE en su edición XI, se ha consolidado como uno de los escenarios más relevantes a nivel nacional e internacional, en cuanto a los temas de vanguardia de las diferentes áreas a las que se enfocan los trabajos del CIME Veracruz, con la participación de grandes ponentes y expositores, todos destacados profesionales que nos han entregado el resultado de sus investigaciones y experiencias, a través de valiosos artículos que se integran en la presente revista.

La elaboración de esta e trabajo editorial con base en los articulos presentados en el Congreso Internacional de Instalaciones Electromecánicas 2019, ha sido posible gracias a la colaboración y esfuerzo conjunto de diversas instituciones dedicadas a la investigación de la ingeniería, tales como La Universidad Veracruzana, la Universidad Cristóbal Colón, el Tecnológico Nacional, el INEEL, la CONUEE, entre otras, así como por los integrantes del Consejo Directivo del CIME Veracruz.

IMPERIUM C I E N T Í F I C A

E D I T O R I A L

Ponemos en tus manos la primer revista estrictamente científica de nuestro colegio, estando seguros constituirá a partir de ahora, un referente obligado en materia de estudio y como documento de consulta, para las generaciones actuales y futuras de ingenieros que desean estar informados de los temas en boga, a través de información certera y confiable para su análisis.

A todos los participantes que colaboraron en ellas, nuestro agradecimiento fraterno y reconocimiento, a ti, nuestro deseo fiel de poder aportar a tu acervo profesional junto con nuestra gratitud a tu confianza.

Disfruta la lectura.

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IMPERIUM C I E N T Í F I C A

ÍNDICE CONSEJO DIRECTIVO

BIENIO 2018-2020 PRESIDENTE DEL CONSEJO DIRECTIVO

MTRO. JUAN ANTONIO PINILLA RODRÍGUEZ

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El problema energético mundial. Energías renovables y cambio climático

INTEGRANTES DEL CONSEJO DIRECTIVO

PAG

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PAG

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M.A.C. ARTURO ROMERO JOACHÍN DR. FELIPE RODRÍGUEZ VALDÉS ING. MA. GUADALUPE DOMÍNGUEZ A. ING. MARIO M. OSORIO MORALES ING. IGNACIO ARELLANO LARA

CONTACTO: TEL. 2292028222 / 2299812281 2296907219 / 2291391576

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CONSEJO DE HONOR Y JUSTICIA

Análisis de Rentabilidad de Sistemas Fotovoltaicos Residenciales.

PAG

PAG

Simulación Numérica de la Transferencia de Calor en un Calentador de un Biodigestor, usando CFD Fluent.

ING. GERARDO ZÁRATE GERÓN ING. ROBERTO CONTRERAS MENESES ING. JOSÉ ALFREDO HERRERA AMAYA M.C. VICENTE GONZÁLEZ ARREGUI ING. RAFAEL ARROYO Y CASTILLO ING. OLIVER OLMOS CABRERA MIA. JOSUÉ DOMÍNGUEZ MÁRQUEZ DR. ADRIÁN VIDAL SANTO ING. PEDRO AGUILAR CANSECO ING. JESÚS MILLÁN MENDOZA ING. FELIPE ANTONIO RODRÍGUEZ PINTOS ING. ÁNGEL DANIEL HERNÁNDEZ LÓPEZ

Diseño de un controlador inteligente basado en lógica difusa modelado en Simulink.

Herramienta informática para el análisis de rentabilidad de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica.

Email: cimever@live.com cimeveracruz.com

CIME Veracruz

CIME Veracruz

@CimeVeracruz

cimeveracruz

COMITÉ DE

PAG

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ARBITRAJE Caso de Éxito de una Instalación Fotovoltaica en Veracruz.

M T RO . JUA N A N TONIO PI NI LL A RODRÍGUEZ

Pdte. CIME Veracruz / Universidad Cristóbal Colón / Universidad Veracruzana

DR . H UG O M . FE R NÁ NDEZ HERNÁ NDEZ Universidad Cristóbal Colón

M .A . CE NOBI A L E ÓN MA RTÍ NEZ

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias

PAG

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Generación de la Cinética de Secado de Alimentos para la Aplicación de Deshidratado con Energía Solar.

DR . FE L I P E RODR ÍGUEZ VA LDÉS Instituto Tecnológico de Veracruz

I NG . JA I M E J. CA ÑAS ORTEGA Instituto Tecnológico Boca del Río

DR . E NR IQU E ATA NAC IO MORA LES GONZÁ LEZ

Universidad Veracruzana / Agencia Nacional de Evaluación de la Calidad y Acreditación de España (ANECA)

PAG

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M .C. FR A NCI S CO ORTÍ Z MA RTÍ NEZ

Instrumentación en un Biodigestor que Opera con Desechos Orgánicos para la Producción de Metano.

Universidad Veracruzana

M .C. V ICE N T E G ONZÁ LEZ A RREGUI Instituto Tecnológico de Veracruz

M .C . CA R LO S M IGUEL VA LENZUEL A C ASTI LLO Instituto Tecnológico Boca del Río

I NG . G E R A R DO Z ÁRATE GERÓN

Vicepresidente, CIME Veracruz

PAG

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Simulación Númerica En CFD de un Quemador de Flama Difusa Utilizando Biogás.

M T R A . A L M A DE JESÚS AC OSTA DE L A ROSA Delegada, CIME Delegación Xalapa / Instituto Tecnológico Superior de Xalapa

I NG . JO S É A L FR E DO HERRERA A MAYA

Consejo Directivo, CIME Veracruz

IMPERIUM CIENTÍFICA, revista periódica enero 2020. Editor Responsable: Ronnie Rogelio Barrios Castillo. Número de Certificado de Reserva otorgado por el Instituto Nacional del Derecho de Autor: 04-2019-121014543000-102. Número de Certificado de Licitud de Título y Contenido: (En tramite). Domicilio de la Publicación: Maple #341 B, entre Juncos y Olivos, Fraccionamiento Floresta, Veracruz, Ver. CP. 91940. Imprenta Multicopias. 21 Pte. 917 A, Col. Chula Vista, Puebla, Pue. CP. 72420.

EL PROBLEMA ENERGÉTICO MUNDIAL. ENERGÍAS RENOVABLES Y CAMBIO CLIMÁTICO JUAN ANTONIO PINILLA RODRÍGUEZ Facultad de Ingeniería Doctorado en Ingeniería en tecnologías emergentes Universidad Cristóbal Colón jpinillar@ucc.mx

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RESUMEN El mundo se encuentra en una difícil situación energética: por una parte, existe cada vez mayor demanda de energía y, por otra, las actuales fuentes tienen en su mayoría recursos limitados y su uso representa repercusiones ambientales indeseables. El crecimiento demográfico y económico en el mundo, trae consigo que consumamos más energía, y las formas tradicionales en que la generamos en su mayoría, a través de los combustibles fósiles, nos da como resultado importantes efectos (globalmente negativos) sobre el bienestar humano. Los recursos naturales de nuestro planeta son usados a un ritmo acelerado, si no se toman medidas al respecto, las condiciones de vida de los que vengan después que nosotros serán mucho peor a las que tenemos hoy en día.

El principio de sostenibilidad es: satisfacer las necesidades de las generaciones presentes, sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades esto se dijo hace unos años en Principio 3.º de la Declaración de Río (1992), del Informe Brundtland (1987), Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas, de la Asamblea de las Naciones Unidas.

I.- INTRODUCCIÓN La situación energética mundial ¿Tenemos un problema?

La tendencia del cambio climático Desde la llamada Revolución Industrial hasta nuestros días, los procesos industriales se desarrollan quemando combustibles fósiles (petróleo, gas y sus derivados, como la gasolina y el diesel) y aprovechando de manera desmedida los recursos naturales de nuestro planeta.

Estas actividades están cambiando la composición de la atmósfera terrestre, emitiendo más gases y compuestos de efecto invernadero que pueden permanecer en la atmósfera hasta por más de 50 años. Si bien más de la mitad del CO2 emitido tarda un siglo en la actualidad para eliminarse de la atmósfera, una parte del CO2 emitido (cerca del 20%) se mantiene en la atmósfera durante muchos milenios.

En los últimos 800 000 años, las concentraciones atmosféricas de dióxido de carbono, metano y óxido nitroso han aumentado a niveles sin precedente.

Las concentraciones de dióxido de carbono han aumentado en un 40% desde la era preindustrial debido, en primer lugar, a las emisiones derivadas de los combustibles fósiles y, en segundo lugar, a las emisiones netas derivadas del cambio de uso del suelo. Los océanos han absorbido alrededor del 30% del dióxido de carbono antropogénico emitido, provocando su acidificación. (Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático, 2018) Tomar acciones urgentes sobre el cambio climático es crítico para reducir su impacto. El Acuerdo de París establece un objetivo para limitar el aumento de la temperatura media global a muy por debajo de 2 ° C por encima de los niveles preindustriales e intentar limitar el aumento a 1.5 ° C. Implícito en estos objetivos está la necesidad de una transición a un sector energético bajo en carbono, que represente dos tercios de las emisiones globales. La energía renovable, junto con los beneficios de eficiencia energética, puede proporcionar el 90% de las reducciones de emisiones de CO2 necesarias para 2050. (International Renewable Energy Agency (IRENA), 2019)

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La demanda mundial de energía todavía se satisface principalmente con combustibles fósiles (30% de petróleo, 27% de carbón y 20% de gas).

Las principales fuentes de producción de electricidad son a través del carbón (38%), gas (23%) e hidroeléctrica (16%).

Las emisiones de CO 2 en el sector energético, después de permanecer estáticas durante tres años, aumentaron en 2017, y se espera un mayor crecimiento en los próximos años. El principal desafío que enfrenta el sector energético, es crear un sistema que combine asequibilidad, confiabilidad y sostenibilidad. (International Energy Agency (IEA), 2018) Los cambios estructurales fundamentales en el sector energético, llamados “transiciones de energía”, ocurren en todo el mundo. La motivación, los objetivos y las prioridades para implementar las transiciones de energía difieren, pero en su mayoría podrían estar relacionados con el trilema de la energía: asegurar el suministro de energía, aumentar la competitividad mediante el uso de enfoques de menor costo y las preocupaciones ambientales, o una combinación de estos aspectos.

La demanda mundial de energía aumentará al menos en un cuarto entre hoy y 2040, principalmente en los países en vías de desarrollo, con India a la cabeza. Los niveles más altos de consumo se desplazarán hacia Asia, que será responsable de aproximadamente la mitad del crecimiento del gas, el 60% del crecimiento de la energía eólica y

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solar, más del 80% del crecimiento del petróleo y todo el crecimiento del carbón y la energía nuclear. (International Renewable Energy Agency (IRENA), 2019) La eficiencia energética será crucial para mantener bajos los niveles de consumo, que de otro modo aumentarían para duplicar la cantidad estimada. La revolución del gas de esquisto continúa, liderada por Estados Unidos, el principal productor de petróleo y gas del mundo.

La demanda de gas natural está creciendo más fuertemente en la industria y en 2030 superará al carbón para convertirse en el segundo combustible más grande en la combinación energética. La demanda de petróleo continuará creciendo como resultado de su uso en la industria petroquímica. Sin embargo, su uso en automóviles alcanzará su punto máximo alrededor de 2025. El mercado petrolero está entrando en un período de alta incertidumbre y sin nuevos proyectos podría surgir una escasez en el suministro. (International Energy Agency (IEA), 2018)

II.- RESULTADOS DE PRODUCIR ENERGÍA CON HIDROCARBUROS

energética pueden alcanzar el 90% de las reducciones de carbono requeridas. (International Renewable Energy Agency (IRENA), 2019)

Con la invención de la máquina de vapor por James Watt a finales del siglo XVII, se produjo el definitivo despegue tecnológico en todo el mundo. Con este acontecimiento la vida de las personas empezó a cambiar a un ritmo acelerado, marcado por los continuos avances tecnológicos y la progresiva sustitución de las fuentes de energía primaria.

Trayectoria que ha desembocado en una casi absoluta dependencia de los hidrocarburos (carbón, petróleo y gas natural) hasta nuestros días.

La transición energética es el abandono del petróleo, el carbón, el gas como fuentes de energía y su sustitución por energías renovables. Esto no es una tarea fácil, debido a que estamos obligados a asegurar un abastecimiento energético asequible, de bajo impacto ambiental y confiable. ((BCG), 2011)

Los resultados que tenemos de producir energía con hidrocarburos son sabidos por todos, a continuación, mencionamos algunos: El deterioro ambiental cada vez más notorio por todos nosotros (efecto invernadero debido a la emisión de los gases a nuestra atmósfera), subida de la temperatura en todo el globo terráqueo, acidificación de los océanos, aumento del nivel del mar por la descongelación de los glaciares y los fenómenos meteorológicos extremos, pérdidas de biodiversidad, etc.)

En estos momentos no existe una fuente de energía capaz de sustituir a todos los hidrocarburos para satisfacer la demanda actual de energía, lo que sí existe es la disponibilidad de diversas combinaciones de fuentes renovables de energía en diferentes ecosistemas que empiezan a suplir a los hidrocarburos.

La energía suficiente y segura es el principal facilitador para el bienestar y el desarrollo económico de una sociedad. Como las actividades relacionadas con la energía tienen impactos ambientales significativos, es indispensable proporcionar un sistema energético que cubra las necesidades de las economías y preserva el medio ambiente.

III. TRAZANDO EL CAMINO HACIA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA La transición energética es un camino hacia la transformación del sector energético mundial de fósiles a cero carbón en la segunda mitad de este siglo. En el fondo está la necesidad de reducir las emisiones de CO2 relacionadas con la energía para limitar el cambio climático. La descarbonización del sector energético requiere una acción urgente a escala mundial, y mientras una transición energética global está en marcha, se necesitan más acciones para reducir las emisiones de carbono y mitigar los efectos del cambio climático. La energía renovable y las medidas de eficiencia

Las energías renovables más económicas son la eólica y la solar. Gracias al desarrollo industrial y tecnológico de los últimos 20 años, los costos reales de generación se han reducido en forma significativa. Ineludiblemente se necesita el aseguramiento energético que provea electricidad en los momentos en que no haya suficiente viento, ni sol. Por lo tanto, estas funciones serán asumidas por otras fuentes de energía renovables (hidráulica, biomasa, geotermia) y sistemas de almacenamiento de energía.

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La transición energética es la respuesta a dos desafíos: Los recursos fósiles, tales como el carbón, el petróleo y el gas, son cada vez más escasos.

El cambio climático amenaza a nuestro planeta.

IV. LA FUERZA INVISIBLE. La demanda de electricidad continúa creciendo muy rápidamente. Este crecimiento proviene principalmente de los países en vías de desarrollo, aunque sigue creciendo en las economías más avanzadas. El mayor aumento se produce en las energías renovables, gracias a la caída de los costos y las políticas de apoyo: la generación de energía a partir de las energías renovables en la combinación de electricidad pasará del 25% actual al 40% en 2040, reemplazando el carbón. (International Energy Agency (IEA), 2018) Con el aumento de las fuentes renovables de electricidad, garantizar la flexibilidad del sistema de energía sigue siendo una prioridad para compensar las grandes fluctuaciones en el suministro.

En las fuentes renovables de energía, su régimen de funcionamiento depende exclusivamente de las condiciones meteorológicas existentes en cada emplazamiento, lo que implica incertidumbre en la predicción de la producción.

Hasta hoy el sistema eléctrico mundial está diseñado bajo el modelo de grandes centrales de generación de electricidad. Las Fuentes renovables ofrecen la posibilidad de la generación de electricidad distribuida con beneficios económicos, sociales y ambientales.

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V.- CONCLUSIONES.

VI.- REFERENCIAS:.

En los últimos años, el mundo ha logrado avances alentadores en el desarrollo en energías renovables, particularmente para la generación de electricidad. Las tecnologías utilizadas para generar electricidad hoy pueden en muchos casos proporcionarla a precios competitivos en comparación con las basadas en combustibles fósiles.

Los sistemas eléctricos en todo el mundo están diseñados bajo el modelo de grandes centrales de generación de electricidad, donde una solución alternativa es a través de la generación distribuida.

(1) (BCG), T. B. (2011). Evolución tecnológica y prospectiva de costes de energías renovables. Madrid: IDAE. Instituto para la diversificación y ahorro de energía.

(2) Aguilera, J. A. (2012). Tesis doctoral. Fuentes de energía y protocolo de Kioto en la evolución del sistema eléctrico español. Oviedo: Universidad de Oviedo.

(3) APEC Energy Working Group. (2017). Research on Energy Storage Technologies to Build Sustainable Energy Systems in the APEC Region. Haidian District, Beijing: APEC Energy Working Group.

(4) Badii, M. A. (2016). Renewable Energies and Energy Conservation. International Journal of Good Conscience, 141-155.

(5) Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático. (18 de mayo de 2018). https://www.gob.mx/inecc/acciones-yprogramas/que-es-el-cambio-climatico.

(6) International Energy Agency (IEA). (2018). World Energy Outlook . OECD/IEA. (7) International Renewable Energy Agency (IRENA). (07 de 10 de 2019). https://www.irena.org/.

(8) López, E. (2013). Tesis doctoral. Definición de criterios de diseño de instalaciones de almacenamiento de hidrógeno producido con energías renovables. Sevilla: Universidad de Sevilla.

(9) Oviedo-Salazar. (2015). History and use of renewable energies. Daena: International Journal of Good Conscience, 1-18.

Las fuentes renovables ofrecen la posibilidad de la generación de electricidad distribuida con beneficios económicos, sociales y ambientales. El almacenamiento de energía avanza de la mano con el desarrollo de fuentes de energías renovables, tiene una posibilidad de funciones más allá de actuar como fuente de energía de respaldo y es la tecnología clave para permitir altas concentraciones renovables en redes eléctricas de grandes parques eólicos y solares concentrados, o en la generación de energía distribuida a pequeña escala en todo el mundo.

Las tecnologías para la generación de energía a través de fuentes renovables, como se ha analizado anteriormente, requieren de inversiones en investigación y desarrollo que permitan mejorar las tecnologías actuales. Si se hace correctamente, estas tecnologías podrían llegar a ser más competitivas que en los mercados eléctricos hoy en día.

La energía renovable y la eficiencia energética deben promoverse y acelerarse en conjunto para garantizar que la transición a la energía sostenible no se vea limitada por el crecimiento demográfico y económico en el mundo. Con esto se contribuye en gran medida a la descarbonización requerida para permanecer dentro de los límites que establece el acuerdo de Paris.

Las innovaciones en energía renovable abarcan todos los enfoques nuevos que ayudan a superar las barreras y dan como resultado un despliegue acelerado de energías renovables para apoyar la transición energética. Las soluciones innovadoras para descarbonizar el sector energético global requieren la combinación de varios instrumentos de política en todo el ciclo de vida de la tecnología, desde investigación y desarrollo, hasta la ampliación del mercado, así como el desarrollo de nuevas tecnologías inteligentes, tecnologías de la información, nuevos tipos de instrumentos financieros y de mercado, modelos de negocio y la participación de nuevos actores en los sistemas energéticos.

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“SIMULACIÓN NUMÉRICA DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN CALENTADOR DE UN BIODIGESTOR, USANDO CFD FLUENT” OCTAVIO LÓPEZ LAGUNES Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada zS17024377@estudiantes.uv.mx

AGUSTÍN LEOBARDO HERRERA MAY Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada. leherrera@uv.mx

MA. ELENA TEJEDA DEL CUETO Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. etejeda@uv.mx

ADRIÁN VIDAL SANTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. avidal@uv.mx

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RESUMEN En este trabajo se compara un modelo numérico que se realizó a un calentador solar de un biodigestor anaerobio con datos experimentales obtenidos a partir de un prototipo. La temperatura máxima obtenida experimentalmente fue de 44°C, demostrando la correlación de los perfiles de temperatura obtenidos en la simulación. La temperatura máxima alcanzada alrededor del biodigestor en la simulación fue de 45°C, comprobando el fenómeno estudiado con las pruebas realizadas de manera experimental. El prototipo fue ensamblado con material reciclado de latas de aluminio y destajos de madera. El modelo experimental se realizó en el laboratorio de Sistemas Energéticos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Veracruzana y para el modelo numérico se utilizó el software comercial de dinámica computacional de fluidos ANSYS Fluent.

Palabras clave — Colector Solar, Anaerobio, Convección natural.

Nomenclatura Generación de energía cinética turbulenta debido a los gradientes de velocidad media.

Contribución de la dilatación fluctuante en la turbulencia compresible a la tasa global de disipación.

Primera Constante del modelo de turbulencia.

Segunda Constante del modelo de turbulencia.

Gravedad.

Entalpía específica de las especies.

Conductividad efectiva.

Temperatura.

Velocidad.

Fuerza.

Ecuación de la energía.

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Símbolos Velocidad de disipación.

Viscosidad Turbulenta.

Viscosidad.

Densidad.

Número turbulento de Prandtl para Tensor de esfuerzos.

I.- INTRODUCCIÓN El aprovechamiento de energías renovables como la solar, disminuyen el uso de combustibles fósiles y de recursos forestales. Esta tendencia permite la innovación de nuevas técnicas para disminuir la contaminación ambiental que con el paso de los años se incrementa debido al cambio climático [1]. Los biodigestores son técnicas de transformación de energía derivada de los rayos solares a energía térmica la cual, puede ser aplicada a diferentes procesos que involucran la transferencia de calor [2]. Estos mismos están diseñados para la obtención de biogás por medio de desechos orgánicos para la obtención de energía renovable [3]. El funcionamiento del biodigestor consiste en la descomposición de desechos orgánicos y como resultado de este se obtiene el biogás, el cual es una mezcla de gas compuesta por un 50 a 70% de metano (CH4), de 30 a 40% de dióxido de carbono (CO2), amoniaco (NH3) y ácido sulfhídrico o sulfuro de hidrógeno (H2S), dicha composición depende del tipo se sustrato [4].

El presente trabajo se estructuró para desarrollar el modelado numérico de un biodigestor anaerobio calentado con un captador solar automático. El objetivo se centró en conocer las condiciones óptimas de operación mediante el desarrollo de una simulación numérica, para generar temperaturas de alrededor de 45°C – 55°C, mismas condiciones que son propicias para la reproducción de bacterias de metano génicas y con esto aumentar la producción de biogás al incrementar la temperatura de trabajo alrededor del biodigestor.

Para realizar la simulación del comportamiento del aire dentro del intercambiador de calor, se caracterizaron las condiciones de construcción y dimensionamiento del biodigestor, el cual cuenta con un colector solar fabricado de madera en las paredes con las siguientes dimensiones, de ancho 314mm, largo 430mm, altura 66mm y espesor 100mm, una cubierta de vidrio transparente de espesor de 5mm y 4 fluxes elaborados con latas de aluminio de diámetro de 36mm y espesor de 10mm. El gabinete del biodigestor está fabricado de madera en sus paredes con un recubrimiento de aislante, con dimensiones de ancho 310mm, largo 270mm, altura 330mm y espesor 100mm.

II.- MATERIALES Y MÉTODOS En esta sección se describirán los materiales utilizados en la construcción de prototipo del biodigestor y los métodos a utilizar en la simulación numérica del mismo, como se muestra en la Figura 1.

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FIG. 1. PROTOTIPO BIODIGESTOR ANAEROBIO.

El modelado del intercambiador de calor se inició por la creación del modelo 3D utilizando el software Solidworks, para realizar el análisis de simulado numérico se procedió a crear el mallado en ANSYS con una distancia 0.4 cm de separación entre nodos, teniendo como resultado 2 394,442 elementos tetraédricos como se muestra en la Figura 2.

Debido a la configuración geométrica del biodigestor, se consideró la gravedad para el análisis. Para realizar la simulación numérica se consideraron las condiciones de frontera en estado estable y se presentan en la tabla 1.

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FIG. 2. MALLADO DE GEOMETRÍA DE BIODIGESTOR.

La temperatura máxima alcanzada dentro del biodigestor fue de 44°C, tomada por un sensor sumergido en agua asemejando el sustrato de trabajo, utilizada como referencia para analizar los resultados con respecto a la simulación.

Para determinar el efecto del aire dentro del intercambiador de calor se realizó un modelo numérico que simule la operación del biodigestor, en el software computacional ANSYS-Fluent. Fue necesario definir dentro del modelo numérico computacional las ecuaciones que rigen el movimiento: Ecuación de gases ideales, ecuación de continuidad, ecuación de movimiento y ecuación de energía.

TABLA 1. CONDICIONES DE FRONTERA DEL MODELO NUMÉRICO.

Por efecto de la radiación solar en la cubierta superior del colector se alcanzó un delta de temperatura de 65°C. Otra de las consideraciones tomadas es para las paredes del gabinete del biodigestor ya que se consideran como isotérmicas debido a que se asume que está perfectamente aislado y la transferencia de calor es cero.

El criterio de convergencia del modelo para continuidad, momentum y energía cinética se ubicaron en 10-3 y para la energía 10-6, posteriormente a la asignación de las condiciones de frontera.

III.- RESULTADOS.

Para modelar la turbulencia se consideró el modelo kestándar, el cual resuelve dos ecuaciones de transporte, una para la energía cinética turbulenta y la otra para la velocidad de disipación. Dichas ecuaciones se representan a continuación.

FIG. 3. PERFIL DE VECTORES EN UN PLANO COMPLETO DEL INTERIOR DEL GABINETE CON AIRE.

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La figura 3 muestras los perfiles de distribución de las temperaturas a lo largo del colector solar y dentro del gabinete que contiene al biodigestor, se observa que las temperaturas más altas se registran el parte superior del colector solar al ser las partes que entran en contacto con la radiación del sol, obteniendo una ganancia de temperatura que se distribuye a lo largo de los fluxes, hasta llegar al gabinete.

La temperatura descrita en los resultados demuestra que el flujo de aire dentro de los fluxes permite incrementar la temperatura dentro del gabinete que contiene al biodigestor hasta una temperatura de 45°C, siendo esta óptima para aumentar la producción de biogás.

V.- RECONOCIMIENTOS. Agradecemos al CONACYT por la beca de manutención otorgada y a la Universidad Veracruzana región VeracruzBoca del Río por facilitarnos las instalaciones y el material necesario para el desarrollo de este proyecto.

VI.- REFERENCIAS. [1] L. Roche-Delgado, J. P. Hernández-Touset, and A. García-Rodríguez, “Diseño Conceptual De Secador Solar a Escala Piloto Para Algas Marinas [Conceptual Design of Scale Solar Dryer Pilot for Marine Algae],” Tecnol. Química, vol. 37, no. 2, pp. 184–200, 2017.

FIG. 4. PERFIL DE CONTORNOS EN UN PLANO CON CORTE LONGITUDINAL DEL INTERIOR DE LOS CUATRO FLUXES.

La figura 4 muestra planos longitudinales del biodigestor en donde se observa que la temperatura medida máxima alcanzada por por la energía que se captó en forma de radiación y se transfirió por convección natural al biodigestor es de 45°C, variando por una delta de temperatura de 1°C con respecto a la temperatura máxima obtenida de manera experimental de 44°C, después de haber realizado 7 corridas diarias de prueba durante un horario de 11:00 am a 16:00 hrs en el mes de noviembre de 2018, desarrolladas en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Veracruzana en la Ciudad de Boca del Rio, Veracruz.

IV.- CONCLUSIONES. Los resultados obtenidos en la presente investigación muestran el comportamiento del flujo de calor alrededor y dentro del biodigestor, se observó que la temperatura del aire de entrada es afectada por la ganancia de calor debido a la radiación solar, generando un incremento gradual de temperatura al pasar dentro de los fluxes del colector solar. Se demuestra que existe un gradiente de temperaturas entre la entrada y salida del captador solar, además de tener buena correlación los datos obtenidos de la simulación y los datos obtenidos experimentalmente.

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[2] Jiménez Sánchez Tania de Jesús, “Análisis de los mecanismos de transferencia de calor en unse casor solar de alimentos.,” 2015.

[3] Vargas Margie Faith, “Biodigestores: factores químicos, físicos y biológicos relacionados con su productividad,” vol. 23, pp. 39–46, 2010.

[4] P. Weiland, “Biogas production: Current state and perspectives,” Appl. Microbiol. Biotechnol., vol. 85, no. 4, pp. 849–860, 2010.

“ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS RESIDENCIALES” BLANCA IRIS ZÁRATE SANTIAGO Maestría en Eficiencia Energética y Energías Renovables, Tecnológico Nacional de México/ Instituto Tecnológico de Veracruz, Veracruz, México bizarate@hotmail.com

JESÚS MILLÁN MENDOZA Maestría en Eficiencia Energética y Energías Renovables, Tecnológico Nacional de México/ Instituto Tecnológico de Veracruz, Veracruz, México. jmillan_82@hotmail.com

JOSÉ DE JESÚS RODRÍGUEZ RASCÓN Maestría en Eficiencia Energética y Energías Renovables, Tecnológico Nacional de México/ Instituto Tecnológico de Veracruz, Veracruz, México. jesus.rodriguez.rascon1@gmail.com ivvasa@itver.edu.mx

IVÁN VALENCIA SALAZAR Departamento de Ingeniería Eléctrica-Electrónica, Tecnológico Nacional de México/ Instituto Tecnológico de Veracruz, Veracruz, México. ivvasa@itver.edu.mx

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RESUMEN En el presente trabajo se realiza la valoración económica, energética y ambiental de instalaciones residenciales con sistemas fotovoltaicos en la República Mexicana, mediante una herramienta de cálculo basada en Excel y Visual Studio 2017 con tecnología .NET. La herramienta permite visualizar el análisis costo-beneficio de sistemas fotovoltaicos en viviendas, considerando las principales ciudades de la República Mexicana como emplazamiento, las tarifas domésticas vigentes y el consumo del usuario.

El análisis permite evaluar los costos de la inversión inicial (paneles e inversor), y períodos de recuperación de la inversión para la toma de decisiones económicas, ahorros energéticos y ambientales.

Palabras clave — Análisis, Diseño, Rentabilidad, Sistemas Renovables, Software, Aplicación Excel y Visual Studio.

I.- INTRODUCCIÓN La expectativa de la presente administración del país es disminuir la dependencia energética del exterior y acelerar la transición hacia fuentes renovables de energía. Actualmente México se enfrenta a retos energéticos que de acuerdo a la Ley de Transición Energética (LTE) aprobada en 2015, tiene como perspectiva que el 35 % de la producción eléctrica sea a partir de energías limpias para 2024 [1].

La energía fotovoltaica es una tecnología que no requiere uso de combustibles, reduce las emisiones de CO2, permite la liberación de cargas del sistema eléctrico, y, en un sistema interconectado, permite al usuario ser un productor en pequeña escala a través del suministro de generación de excedentes. A pesar de los compromisos adquiridos con la Ley de Transición Energética y de que el país cuenta con una de las mejores radiaciones solares del mundo, México sigue incrementando el uso de combustibles fósiles en su producción eléctrica, sin contar con un plan de objetivos

específicos de energía solar en el Programa de Desarrollo Eléctrico Nacional (PRODESEN) [2].

El 99% de las viviendas habitadas del país tiene electricidad; de ellas, el 0.25% utilizan como fuente alternativa la energía solar, ya sea de forma autónoma o en sistema bidireccional o híbrido (solar y de red pública) [3].

El principal obstáculo para el desarrollo del potencial de generación fotovoltaica en el sector residencial, es la elevada inversión económica inicial que supone su instalación; en parte debido a que la tecnología para generar energía fotovoltaica es importada y muchos de sus elementos no están libres de aranceles [4].

Los costos del consumo eléctrico en México, tienen subsidios diferenciados que se aplican a las tarifas domésticas dentro de límites de consumos máximos mensuales preestablecidos. Dentro de cada una de estas tarifas, se establecen límites de energía para los que aplican costos para consumos básicos, intermedios y excedentes.

Para el usuario que se encuentra dentro de los rangos

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límites de estas tarifas, el mayor costo lo representa la tarifa para el consumo excedente. Fuera de estos límites, se consideran rangos de alto consumo y los subsidios no aplican.

En México existe el Contrato de Interconexión para Fuente de Energía Renovable o Cogeneración en Pequeña Escala en donde el usuario residencial puede instalar hasta 10 kW de Sistemas Fotovoltaicos bajo un esquema de medición neta de energía (Net metering), que considera el intercambio de los flujos de energía entre el productor y CFE, compensando la energía entregada por el usuario con la energía recibida de CFE en el periodo correspondiente[5].

El sector residencial representa una oportunidad para el desarrollo de los sistemas fotovoltaicos aplicados a consumos elevados, ya que la instalación de un Sistema Fotovoltaico interconectado disminuye la facturación eléctrica a los usuarios. Actualmente hay una resistencia entre la población al uso de este tipo de tecnología, muchas veces por desconocimiento de los beneficios económicos, energéticos y ambientales que el uso de paneles solares puede proveer en el mediano o largo plazo. Considerarlos, podría hacer la diferencia entre continuar con la dependencia de los hidrocarburos y el daño ecológico, o lograr una mayor competitividad económica y mejorar las condiciones ambientales en nuestro país.

La herramienta de cálculo, permite visualizar el costobeneficio de forma inmediata mediante resúmenes y gráficos que nos muestran los ahorros energéticos, económicos y ambientales; costos y tiempos de recuperación de la inversión; así como los comparativos en las trayectorias de consumos, generación y amortización para la toma de decisiones al proyectar un Sistema Fotovoltaico.

FIG. 1. INFORMACIÓN REQUERIDA DEL RECIBO DE CFE.

Estos datos se ingresan a la herramienta de cálculo. Se consideran los tipos de tarifas domésticas vigentes. La Ciudad de emplazamiento es seleccionable de una lista preestablecida; de no encontrarse en esta lista, se considera para el cálculo la ciudad más cercana a las existentes, de la que se tomarán las horas solares pico (HSP) que corresponda en cada caso.

II.-METODOLOGÍA. El análisis costo-beneficio se realiza mediante la herramienta de cálculo; que ha sido diseñada mediante Excel y Visual Studio 2017 con tecnología .NET.

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FIG. 2. INGRESO DE PARÁMETROS DE ENTRADA A LA HERRAMIENTA DE CÁLCULO.

A. Información Necesaria.

B. Cálculo de Costos de Consumo sin paneles.

Los parámetros de entrada que se requieren son: la ciudad emplazamiento (a), tipo de tarifa (b), períodos (c) y consumos bimestrales (d) de un año; datos que se obtienen del recibo de CFE del usuario, como se aprecia en la Figura 1.

La herramienta, con los datos ingresados, estima los costos de consumo por períodos y anualizado en función de los días efectivos del período (sin considerar la energía proporcionada por los paneles solares), mismo que es variable en todos y cada uno de los casos. También considera los períodos dentro y fuera de verano, así como los consumos excedentes dentro de cada período. Estos cálculos los realiza el software de forma automática, con los algoritmos de programación.

C. Energía Generada, Costos por Consumo y Ahorros Usando Paneles Solares.

Se cuenta con una base de datos establecida, de donde el usuario selecciona el tipo (e) y número de paneles (f) con que se desee realizar el cálculo; en función de las horas solares pico, la potencia del panel seleccionado (g) y el número de paneles, se calculan los ahorros energéticos (h), económicos (i) y ambientales (j), mediante los comparativos de costos con y sin paneles solares. La herramienta considera las compensaciones por excedente de energía generada, bajo el esquema de medición neta de energía en pequeña escala aplicable a usuarios de tipo doméstico; lo que permite visualizar y comparar las diferencias en la facturación empleando un sistema fotovoltaico interconectado a la red eléctrica.

E. Estimación de Ahorros y período de Recuperación.

La herramienta calcula los ahorros de facturación (m) y de emisiones de C02; éstos últimos a partir del Factor de emisiones del Sistema Eléctrico Nacional, para posteriormente estimar el período de retorno de la inversión (n). Se dimensionan de esta forma, tanto los ahorros energéticos, económicos y ambientales derivados del análisis del Sistema Fotovoltaico interconectado a la red.

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D. Costos de Instalación.

Una vez estimado el potencial ahorro, se selecciona el inversor (k), (seleccionable de una base de datos precargada en la herramienta) cuyo costo se suma al costo de los paneles solares, para estimar la inversión del sistema (l).

FIG. 3. PANTALLA DE INGRESO DE DATOS DE ENTRADA, CÁLCULO DE COSTOS Y AHORROS.

FIG. 4. METODOLOGÍA PARA EL ANÁLISIS DE RENTABILIDAD PARA SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

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La Figura 4 muestra de forma gráfica la metodología de la herramienta de análisis paso a paso.

III. RESULTADOS.

Para este ejemplo, podemos observar en la Figura 7, el comportamiento de los consumos contra la energía producida por los paneles y también, la amortización de los costos de inversión inicial y ahorros anuales.

Las pruebas de cálculo realizados con la herramienta arrojan que los beneficios al instalar un Sistema Fotovoltaico es mayor, cuanto mayor sea el consumo promedio anual que tenga el usuario (antes de la instalación). Para ilustrar lo anterior, exponemos el caso de un usuario cuyos consumos anuales por período se muestran en la Figura 5.

FIG. 7. GRÁFICA DE COSTOS, AHORROS Y AMORTIZACIÓN FUTURA FIG. 5. DATOS REQUERIDOS POR LA HERRAMIENTA DE CÁLCULO.

IV. CONCLUSIONES. Para este usuario, se han seleccionado 12 paneles del modelo EGE-270-W y un inversor del modelo 618109-RED3KW. En la Figura 6 se observa un comparativo entre la energía consumida y la energía producida, así como la perspectiva del ahorro económico y ambiental cuando usa el sistema fotovoltaico.

FIG. 6. SELECCIÓN DE EQUIPOS, COMPARATIVO DE ENERGÍA Y AHORROS

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La Herramienta de cálculo evalúa el costo-beneficio de una instalación Fotovoltaica y su rentabilidad; nos ofrece un panorama de las posibilidades de inversión en un sistema de este tipo.

El uso del software es sencillo, intuitivo y proporciona resultados gráficos inmediatos que pueden ser impresos o ser guardados en cualquier dispositivo de almacenamiento.

Si se quiere detonar el potencial de la Energía Solar como energía limpia, con las contribuciones económicas y ambientales que esto supone para el país y evitar la dependencia energética de los hidrocarburos, tal como lo marca la Ley de Transición Energética, se deben realizar acciones enfocadas a reducir o financiar los costos iniciales de instalaciones fotovoltaicas para usuarios independientes. Tales acciones pudieran ser del tipo subsidio, financiamientos o modificaciones arancelarias.

RECONOCIMIENTOS.

REFERENCIAS.

Agradecemos al C. Fernando Vázquez Vergara, Ingeniero en Sistemas Computacionales por su valioso tiempo en la asesoría para la realización de la herramienta de Cálculo; al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por su apoyo y patrocinio durante la elaboración del presente; así también al Colegio de Ingenieros Mecánicos Electricistas de Veracruz, por la oportunidad para presentar este trabajo.

[1] SENER, Acuerdo por el que la Secretaría de Energía aprueba y publica la actualización de la primera Estrategia de Transición para Promover el Uso de Tecnologías y Combustibles más Limpios, en términos de la Ley de Transición Energética. México: DOF-Diario Oficial de la Federación, 2016, p. 107.

[2] A. Limon Portillo, “Energía solar en México : Potencial y aprovechamiento”, Commission, Energy Transitions, 2017.

[En línea]. Disponible en: http://ciep.mx/energia-solar-enmexico-su-potencial-y-aprovechamiento/.

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[3] INEGI (Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática), “ENCUESTA NACIONAL SOBRE CONSUMO DE ENERGÉTICOS EN VIVIENDAS PARTICULARES”, n.p., 2018.

[4] Jorge Zarco, “Claridad en el proceso”, PV Magazine México, 2018.

[5] CRE (Comisión Reguladora de Energía), RESOLUCIÓN Núm. RES/142/2017 CRE. México: DOF-Diario Oficial de la Federación, 2017, pp. 1–39.

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“DISEÑO DE UN CONTROLADOR INTELIGENTE BASADO EN LÓGICA DIFUSA MODELADO EN SIMULINK” SENÉN RUIZ GÓMEZ, Departamento de Ingeniería Eléctrica - Electrónica Tecnológico Nacional de México/ IT Veracruz Veracruz México, 91897 ing-senrui@hotmail.com

KAREM LIMÓN SOLÍS Departamento de Ingeniería Eléctrica - Electrónica Tecnológico Nacional de México/ IT Veracruz Veracruz México, 91897 karemlimon@hotmail.com

JOSÉ DE JESÚS RODRÍGUEZ RASCÓN Departamento de Ingeniería Eléctrica - Electrónica Tecnológico Nacional de México/ IT Veracruz Veracruz México, 91897 jesus.rodriguez.rascon1@gmail.com

JOSÉ ANTONIO REYES HERNÁNDEZ Departamento de Ingeniería Eléctrica - Electrónica Tecnológico Nacional de México/ IT Veracruz Veracruz México, 91897 josehr@veracruz.tecnm.mx

CARLOS ROBERTO GONZÁLES ESCARPETA Departamento de Ingeniería Eléctrica - Electrónica Tecnológico Nacional de México/ IT Veracruz Veracruz México, 91897 carlos.ge@veracruz.tecnm.mx

RESUMEN En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un control inteligente utilizando lógica difusa, desarrollado a nivel de simulación y aplicado en un sistema de llenado de dos tanques interconectados, mediante el uso de herramientas de Matlab.

Para verificar el comportamiento del controlador difuso se aplicó a nivel de simulación para efectuar la regulación y seguimiento de nivel en un modelo del sistema de tanques interactuantes propuesto por Roa Bohórquez [6], obteniendo las gráficas que describen su comportamiento sin un sistema de control, partiendo de sus funciones de transferencia y las condiciones de equilibrio.

Se ha sometido el modelo a cambios en su variable de entrada para analizar la respuesta comparando los resultados y determinar la eficiencia de dicho controlador.

Palabras clave — Controlador inteligente, lógica difusa, Simulink, Fuzzy Logic Dessigner, nivel.

I.- INTRODUCCIÓN En la actualidad los sistemas de control necesitan ser cada vez más precisos y los métodos para lograrlo requieren de técnicas más complejas, tal es el caso de las aplicaciones que requieren un control riguroso de llenado por nivel, en sectores como el industrial y el científico, donde por años se han utilizado modelos de control clásico y pese a su funcionalidad considerablemente buena, no resulta ser del todo precisa o tener una respuesta que pueda considerarse inteligente.

Aunque múltiples ramas de la inteligencia artificial se han utilizado en ingeniería de control, en particular la lógica difusa ha ganado un gran campo de acción en procesos difíciles de modelar matemáticamente, ya que el diseño y sintonización del controlador difuso se basa únicamente en la experiencia del experto en el proceso [1].

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Podemos mencionar a Ipanaqué-Rodriguez-Álamo, quienes modelaron y simularon un sistema de nivel de líquidos utilizando herramientas de Matlab para analizar el proceso y su comportamiento partiendo desde el análisis matemático como herramienta didáctica [2].

También tenemos a Medina-Contreras-Roa, que modelaron matemáticamente el control de un sistema hidráulico interactivo de tres tanques en serie con fluidos de baja viscosidad y tuberías poco rugosas, implementando la metodología de sistemas dinámicos para después simularlo mediante software [3].

De igual forma, existen estudios donde se usa la lógica difusa como sistema de control, tal es el caso de GarcíaFernández-Torreglosa y su control difuso aplicado a un tranvía hibrido propulsado por pila de combustible, batería y condensador, gestionando la dependencia de energía del vehículo para su propulsión [4].

Aun con antecedentes en la simulación de tanques interactuantes, pocos utilizan la lógica difusa como sistema de control, analizando su respuesta y partiendo del modelado matemático, utilizando la herramienta informática Matlab y Simulink para simularlo; “Desde el punto de vista de las herramientas de software utilizadas para el análisis, diseño y simulación de sistemas de control, Matlab/Simulink es la herramienta más destacada. Este hecho se fundamenta en las conocidas capacidades de cálculo de la herramienta, su simplicidad en la elaboración de las simulaciones, su amplia variedad de librerías para el análisis y diseño de sistemas en diversas áreas de la ingeniería, y en particular en control, entre otras cualidades muy bien valoradas por la comunidad científica [5].

En base a lo anterior, el objetivo de este artículo es mostrar el desarrollo a nivel simulación de un sistema de control por lógica difusa aplicado a un sistema de nivel de líquido de dos tanques conectados en serie, mediante el uso de Simulink de Matlab y la Toolbox de FuzzyLogic Designer.

El artículo está organizado de la siguiente manera: La sección 2 presenta el sistema a controlar, que en este caso son dos tanques conectados en serie y se explican sus características, así como se desarrolla su modelo matemático, planteando las ecuaciones de transferencia que describen el sistema. En la sección 3 se presenta la simulación inicial del sistema en Simulink, mostrando las gráficas del comportamiento del proceso sin acción de control. La sección 4 explica de forma breve los aspectos teoricos de la lógica difusa. La sección 5 nos desarrolla el proceso de implementación del controlador difuso en el sistema detallando cada uno de sus parámetros. La sección 6 muestra los resultados obtenidos en la simulación con una entrada tipo escalón y, por último, en la sección 7 se presentan las conclusiones.

II.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO A CONTROLAR -TANQUES INTERACTUANTESEl modelo es un sistema hidráulico de dos tanques acoplados en serie, tanto la sección de unión como la salida del segundo tanque son de dimensiones iguales como se puede apreciar en la figura 1. La sección de unión es por donde fluye el líquido del primer al segundo tanque, variando por dicho caudal el llenado del tanque dos, es decir, la altura del tanque dos dependerá de la alimentación del tanque uno.

Para determinar la relación entre ambos tanques se deben determinar las funciones de transferencia que relacionen el caudal de entrada con el nivel del primer tanque y caudal de salida con el nivel del segundo tanque, a partir de la linealización del sistema.

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FIG. 1. ESQUEMA DEL SISTEMA DE DOS TANQUES EN SERIE.

Partiendo de la relación de la presión y profundidad se obtiene la Ec. 1, que indica que, si se conoce la presión P0 a un nivel superior, entonces la presión P2 que es mayor a un nivel inferior, se calcula al sumar el incremento p*g*h2 como se muestra en la Ec. 2 [6]

Reemplazando la Ec. 1 con la Ec. 2 y despejando la velocidad v1 con la que se llena el tanque 1 obtiene:

Para obtener el caudal de salida respecto a la variación de la altura tenemos que q12= As v1 sustituyendo en la Ec. 4:

Para simplificar el valor As√ (2*g) por ser constante se sustituirá por kv, quedando en la Ec. 5:

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Para analizar el tanque 2 se tiene que P3 y P4 se anulan por ser presiones atmosféricas, teniendo:

La función de transferencia , que representa la relación entre el caudal de alimentación y la altura del tanque 1 [6] mediante la Ec. 10:

Despejando v2 y sustituyendo de igual forma kv para q2 obtenemos la Ec. 6:

:

Después de linealizar el Sistema se obtiene la Ec.7 y la Ec. 8:

Ya con las ecuaciones 9 y 10 se logra obtener que representa a la variación de la altura del Segundo tanque, de acuerdo a la alimentación del primer tanque [6], dando la relación completa en la Ec. 11:

Con las ecuaciones anteriores se aplica la transformada de Laplace:

Para la función de transferencia de que representa la relación entre la altura del tanque dos con la altura del tanque uno [6] expresada por la Ec. 9:

La Ec.11, expresa una función de transferencia de Segundo orden, a partir de su desarrollo es muy simple ver que se forma con dos funciones de trasferencia de primer orden en serie [6].

Para poder lograr realizar las respectivas simulaciones, se debió encontrar las condiciones de equilibrio del sistema, haciendo que sus ecuaciones no linealizadas; las derivadas sean igualadas a cero y el caudal como q [6].

III. SIMULACIÓN DEL PROCESO SIN CONTROL Para el diseño del tanque y la simulación se han estipulado los siguientes valores: TABLA1. VALOR DE LOS PARÁMETROS.

:

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Mediante los simuladores que se usarán, se ingresaran los datos o parámetros que serán cargados en el modelo, adicionalmente se establecerán los sucesos y requerimientos de simulación y así mismo, mediante esta interface se obtendrán los resultados de los modelos, consiguiendo como ventaja modificarlo si se necesitase mejores resultados [6].

Para este caso fue necesario representar el Sistema con la herramienta Simulink de Matlab, debido a la facilidad de representación y uso en el modelado de sistemas complejos de forma visual. En la figura 2 se muestra el esquema completo del diseño, mientras que la figura 3 se observa la gráfica resultante del sistema para un tiempo de simulación de 50 segundos.

: FIG. 2. DIAGRAMA EN SIMULINK DEL SISTEMA DE TANQUES INTERACTUANTES.

FIG. 3. GRAFICA DE RESPUESTA DEL SISTEMA SIN CONTROLADOR. EN AZUL EL TANQUE 1 Y EN ROJO EL TANQUE DOS.

IV. LÓGICA DIFUSA Las lógicas difusas procuran crear aproximaciones matemáticas en la resolución de ciertos tipos de problemas.

Pretenden producir resultados exactos a partir de datos imprecisos, por lo cual son particularmente útiles en aplicaciones electrónicas o computacionales. El adjetivo “difuso” aplicado a ellas se debe a que los valores de verdad no-deterministas utilizados en ellas tienen, por lo general,

una connotación de incertidumbre. Ahora bien, los valores de verdad son asumidos por enunciados, aunque no son deterministas, no necesariamente son desconocidos. Por otra parte, desde un punto de vista optimista, lo difuso puede entenderse como la posibilidad de asignar más valores de verdad a los enunciados de los clásicos “falso” o “verdadero”. Así pues, reiteramos, las lógicas difusas son tipos especiales de lógicas multivariadas [7].

Por otro lado, los controladores más comunes o clásicos son los del tipo PID. Los sistemas de control basados en PID son todavía hoy los más utilizados en la industria.

Una de las razones fundamentales para explicar este fenómeno hay que buscarla en la dificultad para encontrar modelos matemáticos precisos de los procesos que se intenta controlar. Además, la complejidad matemática subyacente a algunos algoritmos avanzados de control genera importantes reticencias en el mundo industrial, especialmente en relación al mantenimiento y puesta en marcha de esos sistemas de control [8].

Pese a lo anterior, la lógica difusa ha tenido grandes implicaciones técnicas en los últimos años con el desarrollo de sistemas computacionales y electrónicos más complejos dando buenos resultados en sistemas de control.

El control difuso, puede ser expresado mejor como un control a través de palabras que interpretan el sentido común, en lugar de números, o bien sentencias en lugar de ecuaciones. Sin embargo, las variables de los procesos no se miden en sentido común, sino en números. Por lo tanto, se hace necesario realizar una adaptación previa antes de introducir el estado de la variable al controlador [9].

La estructura interna de un controlador borroso o FLC se muestra en la figura 2. Un primer elemento llamado fusificador realiza la conversión de valores discretos a términos borrosos. Su salida es utilizada por el dispositivo de inferencia borrosa para aplicarla a cada una de las reglas de la base de reglas, siguiendo el método de inferencia seleccionado. La etapa de fusificación, les otorga a los datos de entrada un grado de membresía dentro de las distintas expresiones posibles, para ello busca la correspondencia entre el estado de las variables, y las funciones de pertenencia definidas para tal propósito. Desde luego, para un determinado valor de una variable, a cada elemento del universo se le asocia un grado de pertenencia, que es un número entre 0 y 1, a ese conjunto su grado de pertenencia será mayor en una expresión que en las demás. Una vez que se tienen expresados los estados de las variables en forma lingüística se pueden establecer relaciones lógicas entre ellas, típicamente a través de reglas tales como si... entonces (IF-THEN). Se definen una serie de relaciones que interpretan el sentido común, y permiten generar una actuación deseada (en estado lingüístico), que debe ser aplicada a la planta [9].

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FIG. 7. FUNCIONES DE PERTENENCIA PARA LA SALIDA.

FIG. 4. ESTRUCTURA DE UN CONTROLADOR DIFUSO O FLC.

V. CONTROLADOR DIFUSO Para la simulación del controlador difuso implementado en el sistema de tanques interactuantes se utilizó un controlador que recibe como entradas el error e, definido como la diferencia entre el nivel deseado y el medido; y la derivada del error de /dt. Para implementar este controlador, se utilizó el toolbox de lógica difusa (Fuzzy logic toolbox) de Matlab 2017. Para ingresar a él se emplea el comando fuzzy, el cual permite trabajar en la ventana FIS Editor, donde se puede seleccionar el número de entradas y salidas del controlador, así como también se permite modificar dichas variables [8].

Este controlador entrega una salida proporcional a la rapidez de cambio del nivel (du/dt). Para este diseño, fueron utilizados 5 conjuntos difusos para cada variable de entrada (figura 5 para el error y figura 6 para la derivada del error) y 5 conjuntos difusos para la variable de salida como se muestra en la figura 7.

FIG. 5. FUNCIONES DE PERTENENCIA DEL ERROR.

FIG. 6. FUNCIONES DE PERTENENCIA PARA LA DERIVADA DEL ERROR.

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Se puede notar que las funciones de pertenencia fueron del tipo triangular para las tres del centro y trapezoidal para las de los extremos.

Con la finalidad de representar de mejor manera el sistema difuso se presentan los siguientes desarrollos matemáticos que representan las funciones de membresía del error, la derivada del error y la salida.

Las funciones de pertenencia de las entradas y la salida nos dan 25 reglas de control con estructura IF – THEN, pudiendo notar la configuración de salida según la combinación en la tabla 2.

TABLA2. REGLAS DE CONTROL.

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FIG. 9. VENTANA QUE PERMITE APRECIAR EL ESTADO DE LAS ENTRADAS Y LA SALIDA PARA CUALQUIER COMBINACIÓN DE LAS REGLAS.

VI. RESULTADOS. La simulación se llevó a cabo en Simulink por medio de su correspondiente diagrama de bloques. En la figura 8 se puede apreciar el sistema de tanques interactuantes encapsulado y el controlador difuso con su programa previamente cargado tanto en la herramienta Fuzzy logic toolbox, como en el bloque de Simulink y en el workspace de Matlab, con las reglas de la tabla anterior.

La etapa de simulación del modelo es muy importante ya que en base a los resultados que de esta se obtengan podremos confirmar que nuestro modelo propuesto es representativo o no del sistema en estudio [9].

En la figura 10 se puede apreciar la respuesta de control del sistema difuso para un setpoint de 0.4, en un tiempo de 15 segundos, se puede ver el comportamiento del primer tanque el color azul y el segundo tanque en color rojo.

Notese la curva de respuesta al inicio del ciclo de trabajo hasta llegar al nivel deseado.

FIG. 8. DIAGRAMA DE BLOQUES EN SIMULINK CON EL SISTEMA ENCAPSULADO DE TANQUES INTERACTUANTES Y EL BLOQUE DE LÓGICA DIFUSA.

Cabe mencionar que el mecanismo de inferencia usado fue el por factores de confianza, donde dependiendo de los grados de pertenencia de las variables de entrada se obtiene un factor de confianza por cada regla para la variable de salida. Se empleó el and lógico como el mínimo entre estos factores, además, la defusificación fue mediante el método de Mamdani, obteniendo la salida mediante el método del centroide. Esto último puede ser visualizado mediante Rule Viewer de la toolbox de Fuzzy Logic, que permite visualizar el estado de todas las reglas de control ante una determinada combinación de las variables de entrada, permitiendo además apreciar el comportamiento de la salida del controlador y la salida defusificada para dichas entradas (representada por una línea vertical de color rojo), como se muestra en la figura 9.

FIG. 10. GRÁFICA DE RESPUESTA DEL SISTEMA DE CONTROL POR LÓGICA DIFUSA CON UNA ENTRADA DE TIPO CONSTANTE.

Posteriormente se realizó una simulación de igual forma en simulink, con el mismo sistema, únicamente cambiando el tipo de entrada por una de tipo escalón, con tres cambios, para poder visualizar mejor el comportamiento y el fino del sistema difuso (figura 11) con los valores que se especifican en la tabla 3.

FIG. 11. MODELO DE CONTROL CON MÓDULO DE LÓGICA DIFUSA EN SIMULINK CON TRES ENTRADAS DE TIPO ESCALON.

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Por último, podemos apreciar en la gráfica de la figura 12 la respuesta de control para un tiempo de 15 segundos a las tres entradas de tipo escalón en la simulación del sistema de tanques interconectados. Nótese el proceso de control del tanque 1 en color azul y los estados de estabilidad al alcanzar los puntos deseados, además de la repercusión tenue en el tanque 2.

TABLA 3. PARÁMETROS UTILIZADOS EN LAS ENTRADAS DE TIPO ESCALÓN.

VII. CONCLUSIONES. El sistema de control por lógica difusa resulta tener buen desempeño en exactitud y tiempo de respuesta a diversos tipos de entrada para este sistema en particular, sin embargo, depende de la subjetividad del individuo para su funcionamiento óptimo, además, el ajuste de los parámetros establecidos pocas veces resulta ser un proceso rápido, pues necesita de afinaciones a lo largo de su desarrollo, principalmente en sus universos, las funciones de membresía y la forma de elaborar las reglas difusas.

El uso de herramientas informáticas para analizar sistemas de control avanzados por medio de la simulación permite un desarrollo en menor tiempo y esfuerzo, además de las consideraciones económicas, permitiendo observar y experimentar con los mismos resultados.

AGRADECIMIENTOS. Este trabajo ha sido realizado gracias al apoyo del Departamento de Ingeniería Electrica-Electronica y la direccion del posgrado en Eficiencia Energética y Energías Renovables del Tecnológico Nacional de México/ IT Veracruz. De igual manera se agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT).

FIG. 12. GRÁFICA DE RESPUESTA DEL SISTEMA CON TRES ENTRADAS DE TIPO ESCALÓN.

Se debe señalar el hecho de que las entradas de tipo escalón deben de ser en sentido ascendente y no descendente, ya que se considera el sistema de tanques en interconexión en serie sin sistema o válvula de descarga.

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REFERENCIAS. [1] D. Guzman, M. Castaño Victor (2006). “La logica difusa en ingenieria: principios, aplicaciones y futuro”. Ciencia y Tecnología, 24(2), 87-107. 2019. De ResearchGate Base de datos.

[2] Ipanaqué Alama William, Rodriguez Torres Ricardo, Alamo Viera Marco (2006). “Modelado y simulacion de un sistema de nivel de liquidos, utilizando Simulink y Matlab”.

Departamento de Electronica y Automatica, Universidad de Piura Peru.2019.

[3] Roa Bohórquez Olga Lucia, Contreras Gelves Gloria Amparo, Medina Sanchez Laura Victoria (2017).

“Mathematical modeling, simulation, analysis and control of an interactive hydraulic system-three tanks in series”.

Revista de Tecnología, Vol. 16 (1), 77-98. 2019. De ResearchGate Base de datos.

[4] García Pablo, Fernández Luis, Torreglosa Juan, Jurado Francisco (2012). “Control difuso de un tranvía híbrido propulsado por pila de combustible, batería y supercondensador”. Revista Iberoamericana de Automática e infomática industrial, Vol. 9, 162-169. 2019. De SciendeDirect Base de datos.

[5] Castro Cristian, Vargas Héctor, Farías Gonzalo (2014).

“Aplicación de estrategias de control avanzado sobre un sistema de tanques acoplados de estructura variable para uso docente” Congreso de la Asociación chilena de control automático, Edición XXI, 247-254. 2019. De ResearchGate Base de datos.

[6] Escalante Tomalá Maybe Carolina, Villacreses Mendieta Walter Joel, (2015). “Modelamiento y simulación de un sistema de llenado de dos tanques en serie” Escuela Superior Politécnica del litoral, Ecuador. 2019. De espol Base de datos.

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[7] Morales Luna Guillermo (2002). “Introducción a la lógica difusa” Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional. 2019.

[8] Villagrá Jorge, Milanés Vicente, Pérez Joshué, de Pedro Teresa (2010). “Control basado en PID inteligentes: aplicación al control de crucero de un vehículo a bajas velocidade” Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial, Vol 7 (4), 44-52. 2019. De ScienceDirect Base de datos.

[9] Kuoro R. Samir, Musalem R. Rodrigo (2002). “Control mediante lógica difusa” Universidad Técnica Federico Santa Maria. 2019.

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“HERRAMIENTA INFORMÁTICA PARA EL ANÁLISIS DE RENTABILIDAD DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTERCONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA” SENÉN RUIZ GÓMEZ, Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada zS17024377@estudiantes.uv.mx

KAREM LIMÓN SOLÍS Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada. leherrera@uv.mx

JOSÉ DE JESÚS RODRÍGUEZ RASCÓN Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. etejeda@uv.mx

RESUMEN En el presente trabajo se presenta el desarrollo de una herramienta informática para estudio de factibilidad de implementación de sistemas fotovoltaicos a partir de los datos de consumo obtenidos de un recibo de cobro por servicio eléctrico de CFE y la configuración optima del sistema en relación a costo-beneficio y tiempo de retorno de inversión.

Dicha herramienta está diseñada a partir de las consideraciones de cálculo correspondientes a la facturación y generación del sistema fotovoltaico durante un año de consumo.

Palabras clave — Energías renovables, sistemas fotovoltaicos, sistemas interconectados, dependencia, factibilidad, red eléctrica, consumo, software.

I.- INTRODUCCIÓN En los últimos años el panorama mundial en torno al consumo de energía eléctrica ha crecido a un punto donde las naciones y sus sociedades han basado la mayoría de sus actividades en la dependencia de la misma para su desarrollo. Esto es un problema que se agrava puesto que cerca de 1000 millones de personas viven sin electricidad y millones más cuentan con un suministro insuficiente en el mundo. En México el desabasto de electricidad no está ausente y aunque el país cuenta con recursos en combustibles fósiles, el abasto se hace cada vez más insostenible, debido al aumento global en los precios de los hidrocarburos, dado que se pasó a depender del 29% al 50% de gas natural para la generación de energía eléctrica para el 2013 (SIE, 2014), además la demanda de crudo al alza sumado a la proyección de agotamiento eleva los precios con el paso del tiempo y se refleja en tarifas de servicio más caras.

También se tienen los problemas ambientales por emisiones de CO2 y gases de efecto invernadero que propician el cambio climático y han presentado una

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creciente preocupación social, influyendo en las medidas dentro del desarrollo tecnológico, por ello, se han tomado consideraciones por diferentes sectores en el mundo y México no es la excepción; “los gobiernos y organismos internacionales emprendieron diferentes iniciativas de mitigación de emisiones y muchos países se han trazado metas significativas de reducción. En particular, México estableció el compromiso ante la Convención Marco de las Naciones Unidas para reducir 25% sus emisiones de GEI para el 2030. Esta meta aspiracional implica retos que no son fáciles de alcanzar, pero sin duda constituye una excelente oportunidad para que desde todos los ámbitos de actuación se desarrollen iniciativas de carácter innovador, incluyentes, replicables y sobre todo sustentables que contribuyan a la protección y preservación de este planeta” [1] abriendo paso a la proliferación de las fuentes de generación eléctrica por fuentes renovables como una opción para resolver el problema en cuestiones ambientales y de consumo, aun cuando el mayor obstáculo encontrado es la falta de voluntad de promocionar planes de inversión que promuevan la implementación de dichas tecnologías.

Se puede distinguir que “El patrón de la economía mexicana

está dominado por la energía de fuente fósil, mientras que la participación de la energía renovable en la matriz energética ha caído en lugar de incrementarse, lo que no es congruente con el gran potencial del territorio mexicano para el desarrollo de las energías solar, eólica y geotérmica, principalmente” [3] señalando el énfasis en la disposición de recursos naturales con los que se cuenta y el potencial de implementación por el sector energético. Por esta razón la SENER y CFE han ideado dos escenarios para impulsar la generación de energía eléctrica por fuentes renovables: el escenario de “planeación”, donde se estima que la participación de la energía renovable en la generación de energía eléctrica para el 2024 sea del 21% y se explica de manera detallada en el documento titulado “Prospectivas de las energías renovables 2013-2027” (SENER, 2013) y el segundo, el escenario “alterno”, que en su documento “Prospectivas del sector eléctrico 2013-2027” que supone la meta de la generación de electricidad por fuentes de energía limpia llegando a un 35% a partir del 2024, detallado en los documentos “Ley para el aprovechamiento y el financiamiento de la transición energética” y “Ley general para el cambio climático” (SENER, 2013).

Con lo anterior se contempla una generación de 41,956 GWh/a a 100,220 GWh/a proyectada por SENER. Se puede esperar que “según este escenario, el sector publico y de autoabastecimiento domina en la producción de energía renovable” [3], lo que nos prevé un auge de la implementación de sistemas energéticos sostenibles por parte de la población.

Además, la agenda de desarrollo sustentable, ahora actualizada con la de economía verde y con la del cambio climático, sugiere la promoción de las energías renovables como una de sus estrategias cruciales [2].

Sin embargo, pocos son los estudios que se hacen antes de la implementación y aun más, es casi nula la comparativa de costo-beneficio por potenciales clientes (incluso con usuarios que ya cuentan con sistemas) en el mercado fotovoltaico.

De contarse con un proyecto sostenible (económicamente hablando por el estado y participación de la población) se podrían resolver graves problemas que se enfrentan los sistemas distribuidos; “A través de esta alternativa no solamente se pueden obtener beneficios desde el punto de vista ambiental, sino que también se tienen beneficios técnicos y económicos, como: reducción de la energía transportada a través de la red de transmisión y la transformación de la energía en las subestaciones de distribución, aumento de la vida útil de los equipos, mejoramiento de los perfiles de tensión, reducción de pérdidas, reducción en las necesidades de expansión, control de inyección de reactivos, entre otros” [5].

Para ello es necesario contar con análisis previos de factibilidad para los usuarios que deseen implementar

un sistema fotovoltaico ya que: en la viabilidad técnica, es poco probable obtener un resultado económicamente atractivo con la instalación de este tipo de sistema de aprovechamiento de la energía solar. La razón principal radica en los altos costos de adquisición y de instalación del sistema solar fotovoltaico que no tornan competitiva esta tecnología frente a la electricidad disponible en la red nacional que abastece los centros urbanos [7], insistiendo en un estudio para cada caso particular, que considere el consumo del usuario en un periodo de tiempo que pueda demostrar estadísticamente su consumo, la ubicación, la inversión junto al dimensionado del sistema y el impacto en la emisión de CO2. Todo esto es un proceso que suele ser caro y de un desarrollo en tiempo considerable, donde es necesario de especialistas en tecnología fotovoltaica para llevarse a cabo y donde muchas veces no se logra hacer apreciar al usuario los beneficios a futuro de la instalación de un sistema fotovoltaico conectado a la red como sistema de apoyo en su consumo y al final apreciar la rentabilidad del mismo.

Por lo anterior se han desarrollado herramientas informáticas que ayudan a los especialistas a analizar todos los aspectos ya planteados, pero siempre desde un panorama técnico y a profundidad, que para el usuario final con poco o nulo conocimiento del tema es difícil su interpretación y por supuesto su manejo. De acuerdo a esto, encontrar una alternativa que permita apreciar los beneficios y que sea capaz de ser manipulada por la mayoría de los usuarios crearía una mayor confianza en la tecnología fotovoltaica, pues permitiría el análisis sencillo (sobre todo en aspecto monetario) y donde el usuario final podría experimentar partiendo de sus datos de consumo y ubicación.

En este documento se expondrá el desarrollo de una herramienta informática, diseñada para analizar la rentabilidad de implementación de sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica de suministro de CFE en México, partiendo de datos de consumo por periodo durante un año, pudiendo configurar el dimensionado del sistema fotovoltaico y visualizando los costos, el tiempo de recuperación de la inversión y el ahorro en emisión de CO2. También se expondrá la funcionalidad de un botón que busca automáticamente un punto óptimo de inversión y la actualización de datos en tiempo real al modificar cualquier parámetro. Todo lo anterior termina siendo visualizado en gráficas de resultados de facturación y consumo.

El escrito está organizado de la siguiente manera: en la sección 2 se presentan las consideraciones de software para el desarrollo, en la sección 3 el uso de la herramienta informática y por último en la sección 4 las conclusiones.

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II. CONSIDERACIONES DE LA HERRAMIENTA Para el desarrollo de esta herramienta informática se emplearon las siguientes aplicaciones: Microsoft Visual Studio Community 2017 Microsoft SQL Server Data Tools Previamente en la aplicación SQL Server Management Studio se generan diversas bases de datos; en la cuales, se almacenan los costos de energía eléctrica por escalón por mes del año actual, así como de los últimos 2 años, en función de los datos de las diferentes tarifas publicadas en la pagina de la CFE aplicables a la facturación doméstica, otra; con las horas solar pico por mes; dependiendo del estado y ciudad; otras mas con las especificaciones técnicas (capacidades) y costos de 3 diferentes celdas fotovoltaicas y 3 tipos de inversores, los cuales serán necesarios para formar el sistema de generación de energía eólica a instalar en el caso de estudio, como se muestra en la figura 1.

FIGURA 1DIAGRAMA DE FLUJO DE LA HERRAMIENTA INFORMÁTICA.

Empleando el Microsoft Visual Studio se generó una “mascara” en la que se selecciona el tipo de tarifa del servicio que se empleara en el caso de estudio junto con el estado y la ciudad, , quedando almacenado este dato para su uso en paso posterior, adicional a esto, se ingresan los datos del inicio y fin del periodo de facturación, así como los kWh consumidos en durante el mismo, estos datos se enviarán al SQL Server Management Studio, en el cual, mediante el uso de un store procedure, en el cual se realiza un algoritmo, con el que se emula la facturación que realiza la CFE y se puede apreciar en la figura 2.

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FIGURA 2 CARATULA DE INGRESO DE DATOS.

Durante el proceso del calculo del costo de facturación, se toman en cuenta los kWh consumidos en el periodo, los costos de la energía correspondientes al mes, se determina si dentro del periodo a facturar se encuentran el inicio o termino del horario de verano, todo esto dentro del “store procedure”, mismo que se ejecuta cuando se termina de ingresar el consumo, realizando los cálculos correspondientes, regresando los datos calculados a la mascara del Visual Studio.

En la siguiente etapa de la herramienta de calculo, se seleccionan la capacidad y cantidad de celdas fotovoltaicas, enviando estos datos al SQL server, activando un nuevo store procedure en el cual se accede a las bases de datos de las horas solar pico mensuales de la localidad previamente seleccionada, el cual junto con los días de cada mes del periodo de facturación, calcularan los kWh generados mensualmente; restando este valor conjunto al consumo original de cada periodo, recalculando el monto de facturación del periodo especifico, obteniendo con esto el ahorro por periodo y el ahorro total, junto con el beneficio ambiental, que es el total de kilos de CO2 que se dejan de generar al usar este tipo de tecnología.

Dentro de este procedure, se selecciona de la tabla de datos, el costo unitario de la celda fotovoltaica y el inversor necesario para abastecer la carga generada, junto con su costo unitario, determinando el costo total de la inversión requerida, y el tiempo de recuperación de la misma.

Adicional a esto existen dos graficas en una se expresa el monto de la facturación original y la resultante después de la generación con los paneles fotovoltaicos, y en la otra la cantidad de kWh consumidos contra los generados.

AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido realizado gracias al apoyo del Departamento de Ingeniería Electrica-Electronica y la direccion del posgrado en Eficiencia Energética y Energías Renovables del Tecnológico Nacional de México/ IT Veracruz. De igual manera se agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT).

REFERENCIAS.

FIGURA 3 BOTÓN DE OPTIMIZACIÓN.

Dentro de la herramienta existe un botón especial llamado optimización (Figura 3), el cual, al presionarlo, elabora iteraciones para determinar la capacidad y cantidad de paneles necesarios para llegar a una generación tal, que no se deba pagar, indicándonos el menor tiempo de recuperación de la inversión (figura 4).

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[1] Rivera-Martínez Mario Arturo, Hernández-Gálvez Geovann, Sarracino-Martínez Omar, Ixtlilco-Cortés Luis, Juantorena-Ugás Alina, Batalla-Nolasco Ulises, BecerraGarcía David. (2014). “Sensitivity analysis of grid-connected photovoltaic systems: Case study in Guerrero, México”.

Ingeniería, Investigación y Tecnología, 18, 293-305. 2019.

De Scielo Base de datos.

[2] Larios-Vazquez Andrea. (2014). “La energía renovable en México: perspectivas desde el Balance Nacional de Energía 2014”. Economía Informa, 385, 2-113. 2019. De Elsevier Base de datos.

[3] Larios-Vazquez Andrea. (2015). “Desarrollo y prospectivas de energía renovable en México”. Economía Informa, 390, 2-149. 2019. De Elsevier Base de datos.

FIGURA 4.

[4] Giraudy-Arafet Carlos, Massipe-Cano, Iván, RodríguezRivera Raciel, Rodríguez-Gámez Maria, Vázquez-Pérez Antonio. (2014). “Feasibility of installation of connected photovoltaic systems to grid”. Ingeniería Energética, Vol. 35, 141-148. 2019. De ResearchGate Base de datos.

[5] Correa-Flórez Carlos Adrián, Marulanda-García Geovanny Alberto, Panesso-Hernández Andrés Felipe.

(2016). “Impacto de la penetración de la energía solar fotovoltaica en sistemas de distribución: estudio bajo supuestos del contexto colombiano”. Tecnura, 20(50), 8595. 2019. De Scielo Base de datos.

III. CONCLUSIONES. El uso de esta herramienta podrá ayudar a estudiar y visualizar el panorama general de la implementación de un sistema fotovoltaico de manera rápida y fácil por parte del usuario de servicio eléctrico de CFE en sus aspectos económicos y técnicos más generales, con base en su consumo y la inversión, ayudando a tomar una decisión determinante en la elección de tecnologías limpias como parte de su sistema de suministro eléctrico.7

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“CASO DE ÉXITO DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA EN VERACRUZ” CARLOS ALBERTO MARTÍNEZ FARIAS, Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada Zs17024393@estudiantes.uv.mx

FRANCISCO ORTIZ MARTÍNEZ, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. franortiz@uv.mx

JOSUÉ DOMÍNGUEZ MÁRQUEZ, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. jdominguez@uv.mx

ADRIÁN VIDAL SANTO, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. avidal@uv.mx

RESUMEN El análisis muestra la instalación realizada de un sistema fotovoltaico interconectado a la red en una residencia. El objetivo fue disminuir los costos por consumo de energía eléctrica el cual tiene un incremento durante el verano y se refleja en la facturación. Dicha energía fue generada con paneles fotovoltaicos equivalente a 80% del consumo eléctrico, lo cual se logró cubrir con 26 paneles de 255 Watts. Todo el proyecto tuvo una duración menor a un mes y todos los trámites ante CFE se realizaron durante el proceso de instalación.

Palabras clave — Energías renovables, CFE, energías renovables, reforma energética, payback.

I.- INTRODUCCIÓN La tarifa DAC se aplica a los servicios que destinen energía para uso exclusivamente doméstico considerado de alto consumo. Se considera de alto consumo cuando registra un consumo mensual promedio superior al límite de alto consumo definido para su localidad [1].

Cuando un usuario alcanza la tarifa DAC no se aplica ningún tipo de subsidio y los costos en electricidad aumentan considerablemente. Esta es la tarifa más cara por parte de CFE. Estos usuarios pueden optar por un sistema fotovoltaico para cubrir parte del consumo eléctrico y salir de la tarifa DAC. Estos tienen como opción obtener un financiamiento por parte del FIDE que incentiva a realizar dichas instalaciones.

La energía fotovoltaica como otras fuentes renovables contribuyen al autoabastecimiento y le hace frente a la reducción de consumo de combustibles fósiles, no requiere combustión por lo que reduce las emisiones de CO2, se fabrican con silicio el cual es un recurso natural y no emiten ruido alguno para la generación de electricidad [2]. En 2012 el DOF publicó la resolución por la que la Comisión

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Reguladora de Energía expide las reglas generales de interconexión al sistema eléctrico nacional para generadores o permisionarios con fuentes de energías renovables o cogeneración eficiente [3].

Ortiz Gallardo, M. G. et al. (2017) [4] Muestran estadísticas respecto al crecimiento de la capacidad instalada de la generación de energía eléctrica con paneles fotovoltaicos y comentan lo siguiente “Durante el 2016 en México la energía solar fotovoltaica aporta una capacidad instalada de 388.61 MW, que representa el 0.53% de la capacidad total del país. Esta capacidad instalada creció el doble con respecto al 2015.

Se pronostica un fuerte incremento en la participación de la energía solar fotovoltaica debido a los recientes desarrollos tecnológicos en materiales y procesos de elaboración de los módulos fotovoltaicos, además de la apertura del mercado eléctrico, la comercialización de instrumentos que fomentan la inversión en energías limpias, así como la mayor competitividad en el mercado eléctrico”.

El PRODESEN (Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional) 2017-2031 pronostica para el año 2031 una capacidad instalada de 7.8 GW en centrales solares fotovoltaicas [5].

· Faros y boyas de uso marítimo. · Sistemas relacionados con las telecomunicaciones. · Bombeo de agua. · Sistemas para albercas.

FIG. 1. PROSPECTIVA DE CAPACIDAD INSTALADA Y GENERACIÓN EN CENTRALES SOLARES FOTOVOLTAICAS [5].

De acuerdo al Diario Oficial de la Federación y su Programa Especial de la Transición Energética 2017 – 2018, la generación distribuida ha tenido un crecimiento cercano a los 120 MW instalados a finales del 2015 en contratos de interconexión legados. Esta capacidad se duplicó de 2014 a 2015. Menciona que la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA por sus siglas en inglés) estima que se tiene un potencial para instalar entre 11,300 y 19,780 MW hacia el año 2030 en sistemas solares fotovoltaicos en generación distribuida.

El caso estudiado presenta una tarifa en media tensión por contar con un transformador (tarifa HM), el cual provocaba limitaciones en el consumo eléctrico debido al incremento de la tarifa entre las 18 y 22 horas.

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II.- MATERIALES Y MÉTODOS. Se determinó el potencial solar mediante datos históricos en los cuales encontramos la irradiancia solar.

TABLA 1. IRRADIANCIA EN BOCA DEL RÍO, VERACRUZ [7].

FIG. 2. PROYECCIONES PARA GENERACIÓN DISTRIBUIDA EN MÉXICO AL 2030 [6].

Las aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos son diversas, inicialmente fueron sistemas aislados financiados por el gobierno para generar la energía suficiente para consumos básicos. Para cubrir el consumo de energía total de una casa se requiere un sistema de mayor capacidad y el cual su retorno de inversión sería mayor. A continuación se mencionan algunas aplicaciones de los sistemas: · Sistemas interconectados a la red. · Electrificación rural. · Alumbrado público. · Carteles publicitarios.

Aunque existen bases de datos confiables como el de nasa [7] que brindan valores de la irradiancia solar a lo largo de los últimos años sin embargo es importante verificarlos in situ para tener la confiabilidad del potencial solar real en la zona. Estos valores se validaron con el equipo Kipp & Zonen como se muestran en la siguiente imagen:

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FIG. 3. EQUIPO MEDIDOR DE RADIACIÓN SOLAR.

Para determinar el área de paneles fotovoltaicos se requirió información del consumo de energía eléctrica durante el último año la cual fue obtenida en la facturación eléctrica del usuario.

Se calculó la potencia requerida a instalar y posteriormente se obtuvo la cantidad de paneles necesarios para generar la energía eléctrica. Al obtener la cantidad de paneles necesarios, se realiza una inspección al área propuesta por el usuario para realizar la instalación y se comprueba que el espacio sea suficiente.

Las fórmulas utilizadas para realizar los cálculos se muestran a continuación:

Los métodos de prueba realizados en la instalación se basaron en realizar dos conexiones en serie de 13 paneles y verificar que el voltaje fuera el correspondiente en cada string.

Para validar el correcto funcionamiento de la instalación fotovoltaica se verificaron que los parámetros eléctricos estuvieran dentro de los valores de la norma.

El medidor es tipo bidireccional proporcionado por CFE, en el cual se puede tomar la lectura de la energía consumida y la energía generada por parte del usuario (kWh).

Las estructuras de montaje de los paneles fotovoltaicos cuentan con la calidad establecida por la norma correspondiente. La duración de estas depende del fabricante y tiene al menos 12 años de vida útil.

III.- RESULTADOS. El esquema de conexiones del sistema fotovoltaico se muestra a continuación:

FIG. 4. ESQUEMA DE LA INSTALACIÓN.

Para determinar el tamaño del inversor se tomaron los datos de la potencia instalada en paneles fotovoltaicos.

El inversor instalado para el sistema fotovoltaico cuenta con una capacidad de 5 kW nominal, pero debido a sus características puede recibir una potencia de hasta 6.6 kW, cuenta con un voltaje máximo de entrada de 850 V y una corriente de 13 A por string. En la salida cuenta con un voltaje de 220/230/240 V y una corriente máxima de 26.2 A La NOM-001-SEDE-2012 en su apartado 690-8 establece que el sistema fotovoltaico requiere protecciones contra sobre corriente, estas deben colocarse antes del inversor (protección de corriente directa) y después del inversor (protección de corriente alterna). Estas no deben ser menores a 125% de la corriente eléctrica calculada [5].

Las protecciones por sobrecorriente en CD fueron instaladas con una capacidad de 25 A y para CA fueron instaladas con una capacidad de 20 A.

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La instalación se realizó en aproximadamente 24 días y en este lapso se realizaron los trámites necesarios con CFE los cuales incluyeron la desconexión del transformador, cambio de tipo de tarifa, sustitución del medidor a tipo bidireccional y la interconexión a la red del sistema fotovoltaico.

FIG. 5. CUADRO DE PROTECCIONES E INVERSOR.

Los resultados en la disminución del pago del costo por consumo eléctrico podemos observarlo en la facturación eléctrica. En las siguientes imágenes podemos observar el periodo de septiembre – octubre del 2017 el cual fue justo antes de instalar el sistema fotovoltaico y que tuvo un costo por consumo eléctrico de $3,832.00. La diferencia de costos se pudo observar en el periodo bimestral marzo – mayo del 2018 que tuvo un costo por consumo eléctrico de $1,170.00, por lo que podemos decir que el porcentaje de disminución del costo por consumo eléctrico es mayor del 84%.

V.- RECONOCIMIENTOS. Se agradece a la Universidad Veracruzana región Veracruz - Boca del Río por facilitarnos las instalaciones y el material para el desarrollo del proyecto.

Agradecemos al CONACYT quien nos brinda e apoyo de beca por manutención otorgada para realizar los estudios de Posgrado.

VI.- REFERENCIAS. [1] Comisión Federal de Electricidad. Tarifa DAC. 09 de mayo del 2019.Website: https://app.cfe.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas/TarifasCRECa sa/Tarifas/TarifaDAC.aspx

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[2] s. a. (2016) ¿Qué impacto ambiental tiene la energía solar fotovoltaica en: https://conectatealsol.com/news/que-impactoambientaltiene-la-energia-solar-fotovoltaica/ Recuperado el 11 de mayo de 2019 FIG. 6. FACTURACIÓN ELÉCTRICA PERIODO SEPTIEMBRE – OCTUBRE 2017.

[3]Diario Oficial de la Federación. Secretaría de Energía. 22 de mayo del 2012.Website: http://dof.gob.mx/nota_detalle_popup. php?codigo=5249086 [4]Secretaría de Energía. Reporte de Inteligencia Tecnológica 2017.Website: https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/280281/ IT_Solar_FV_12DIC17.pdf

FIG. 7. FACTURACIÓN ELÉCTRICA PERIODO MARZO – MAYO 2018.

La estructura para los paneles fotovoltaicos se fija a la loza de tal manera que no tenga afectaciones por las condiciones climáticas, en este caso las rachas de aire mayores a 100 km/h que ocurren en Veracruz (nortes).

IV.- CONCLUSIONES. El cliente optó por pagar el proyecto el mismo aunque pudo haber recurrido a instituciones que otorgan el crédito como el FIDE y hasta el día de hoy siguen produciendo disminuyendo el 80% de costo.

La instalación se mantiene a pesar de las condiciones climatológicas (NORTES).

[5] Secretaría de Energía. Prospectiva de Energías Renovables 2017 – 2031. 14 de mayo del 2019.Website: https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/284342/ Prospectiva_de_Energ_as_Renovables_2017.pdf [6]Diario Oficial de la Federación. Secretaría de Energía. 31 de mayo del 2017.Website: http://www.dof.gob.mx/nota_detalle. php?codigo=5484916&fecha=31/05/2017 [7] https://power.larc.nasa.gov/ [8]Diario Oficial de la Federación. Secretaría de Energía, NOM-001-SEDE-2012. .

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“GENERACIÓN DE LA CINÉTICA DE SECADO DE ALIMENTOS PARA LA APLICACIÓN DE DESHIDRATADO CON ENERGÍA SOLAR” ADRIÁN VIDAL SANTO, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. avidal@uv.mx

EVELIN MAXCIM LÓPEZ HIPÓLITO, Facultad de Ciencias Químicas Coatzacoalcos, Veracruz, México. evelin.hipolito95@hotmail.com

RESUMEN En este trabajo se evaluó el comportamiento de la velocidad de secado de los siguientes alimentos: tomate (Lycopersicon esculentum), cebolla (Allium cepa), plátano macho (Musa balsisiana), limón (Citrus limonum), piña (Ananas comosus), mango (Mangifera indica), manzanilla (Chamaemelum nobile), ajo (Allium sativum), zacate de limón (Cymbopogon) y acuyo (Piper auritum); utilizados como variedad para el catálogo de frutos, vegetales y plantas más producidos y de abundante consumo entre la población mexicana. El equipo empleado para secar las muestras fue la termobalanza OHAUS-MB45 a temperaturas de funcionamiento de 50°C hasta 65°C, las cuales son las aproximadas a las que un secador solar convencional puede llegar a alcanzar en una zona donde la irradiación solar promedio llega a valores de 900 W/m2 y respetando el límite máximo de calor que puede recibir cada alimento antes de perder sus propiedades. Las pruebas se realizaron en el laboratorio de Sistemas Energéticos de la Universidad Veracruzana.

Palabras clave — Cinética de secado, curvas de secado, termobalanza, secador solar.

I.- INTRODUCCIÓN Entre los alimentos de mayor consumo en México se encuentran: tomate, cebolla, limón, piña, mango, plátano, entre otros; los cuales cada año se pierden aproximadamente 11 millones de toneladas, debido no solo al mal manejo y la falta de consumo, sino que estos poseen un alto porcentaje de humedad lo que provoca que su tiempo de vida sea corto. [2] Una de las alternativas para su conservación es a través de la deshidratación. La reducción de humedad en los alimentos es uno de los métodos más antiguos utilizados para su mantenimiento, al reducir el contenido de agua mediante la circulación de aire caliente se elimina el crecimiento microbiano de bacteria, levadura y moho, y hace que las reacciones químicas por degradación enzimática se detengan y cesen de destruir el alimento durante su almacenaje. El objetivo adicional para las frutas es aumentar el nivel de azúcar. [1] El secado de alimentos es un método ampliamente utilizado por países tanto desarrollados como en vía de desarrollo, un fundamento primordial de este proceso es que se genere

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sin impactos y sea económicamente rentable. Existen diversas maneras de secar alimentos, entre las que se encuentra la utilización de un deshidratador eléctrico, un horno convencional o un secador solar. La primera de ellas es la más eficaz en cuanto a rapidez de secado, pero, desde el punto de vista sostenible y de la calidad del producto, el secador solar es un método más apropiado. [3] La velocidad de secado se da en una serie de etapas, la etapa inicial ocurre cuando el producto y el agua contenida en él se calientan ligeramente, por consiguiente se produce una reacción del contenido en agua a una velocidad constante, a esta etapa se la asocia una temperatura constante. La etapa de secado constante generalmente finaliza al alcanzar la humedad crítica, que es entendida como el cambio brusco de la pendiente en la curva de velocidad de secado; a consecuencia se presentan uno o más periodos de velocidad de secado decreciente. [3] En el presente trabajo se detalla el método llevado a cabo para el secado de frutos, vegetales y plantas ya antes mencionadas, en la termobalanza OHAUS-MB45 con calentamiento eléctrico no convectivo a temperatura controlada en un rango entre 50 y 65 °C, también se evalúa

el comportamiento de los principales parámetros asociados al secado como la pérdida de humedad en cada una de las muestras, las fases y periodos que se presentan en las curvas de cinética de secado.

II.- MATERIALES Y MÉTODOS MATERIA PRIMA MATERIA PRIMA La materia prima utilizada fue tomate, cebolla, plátano macho, limón, piña, mango, manzanilla, ajo, zacate de limón y acuyo; en estado fresco y en buenas condiciones de conservación, seleccionadas en la ciudad de Boca del Río, Ver. en los meses de junio y julio de 2018. Las cuales fueron previamente lavadas y puestas a secar a temperatura ambiente para su posterior utilización. Se optó por un corte en forma geométrica con espesores de 2 mm a 5 mm para facilitar y visualizar de manera más eficiente el secado de cada una de las muestras. El orden en el se llevó a cabo las pruebas fue por grupos, frutos, vegetales y plantas.

PROCESO EXPERIMENTAL Se utilizó una termobalanza Analizador de Humedad OHAUS-MB45 el cual funciona sobre la base del principio termogravimétrico.

Al comienzo se hicieron los respectivos cortes de la muestra de manera uniforme, seguido se colocó en el platillo de aluminio para determinar el peso de la misma.

Por cada muestra se hicieron dos cortes de similares dimensiones y volumen, sometidos a diferentes temperaturas de funcionamiento que variaban entre los 50°C hasta los 65°C dependiendo del fruto, vegetal o planta a secar.

El calentamiento se efectuó por medio de la unidad halógena desecadora y la humedad se fue evaporando. El tiempo de secado varió considerablemente en cada una de las muestras en función de la temperatura asignada y el contenido de humedad.

Durante la operación de secado, el equipo se encargó de determinar continuamente el peso de la muestra y al momento de terminar presentó los resultados indicando el contenido de humedad, el porcentaje sólido y el peso.

Posteriormente a esto se recopilaron los datos para construir las curvas de cinética de secado.

SECADO EN HORNO ELÉCTRICO Se llevaron a cabo pruebas experimentales en un horno eléctrico convencional a una temperatura de 55 °C con las muestras de ajo, limón y mango.

Esto con el fin de evaluar la cinética de secado mediante una distinta fuente de calor artificial. Inicialmente las muestras utilizadas fueron seleccionadas por su distinto contenido de humedad pero con una temperatura de funcionamiento

similar en la que estas podrían secarse sin perder sus propiedades. Se hicieron cortes uniformes de mayor volumen pero con un mismo espesor de 5 mm.

PRUEBA EXPERIMENTAL EN SECADOR SOLAR Se utilizó el modelo del secador solar propuesto por el Mtro. Álvaro Romero [5], que consta de empaques dentro de los tubos que conforman el intercambiador de calor, este se caracteriza por incrementar el área de transferencia de calor y por lo tanto que el tiempo de secado sea más rápido.

En este experimento se realizaron dos pruebas simultaneas, una con el modelo propuesto y la otra con un modelo convencional sin empaques, en la primera se utilizó 638.5 gr. de piña distribuida en tres charolas y en la segunda 630.3 gr. distribuida de la misma manera, esta previamente pelada y cortadas en rodajas de tamaño uniforme con un espesor de 3 mm aproximadamente. Convencionalmente se expuso al sol con una irradiación de 850 W/m2 en la ciudad de Boca del Río, Ver. en el mes de julio. Se midieron los pesos de ambas muestras en lapsos de 30 minutos durante 4 horas. Esto se llevó a cabo para realizar una comparativa con respecto a la velocidad de secado.

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DETERMINACIÓN CINÉTICA DE SECADO Las curvas de secado se realizaron registrando la pérdida de peso de la muestra en intervalos de 5 minutos en todo el tiempo que la misma estuvo en la termobalanza.

Los pesos obtenidos se convirtieron en términos de humedad libre según la metodología propuesta por Geankoplis [4] con la siguiente ecuación:

Donde: W es el peso del sólido húmedo (gramos totales de agua más sólido seco).

WS es el peso del sólido seco (gramos de masa seca).

Xt es la relación entre el peso del agua y el peso del sólido seco a un determinado tiempo (g de agua/g de sólido seco).

Usando los datos calculados con la ecuación (1), se traza una gráfica del contenido de humedad libre X en función del tiempo “t” en minutos. La velocidad de secado se refiere por unidad de área de superficie de secado, para obtenerla se miden las pendientes de las curvas y se determina con la siguiente ecuación:

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Donde: N es la velocidad de secado.

WS el peso del sólido seco.

A es el área de la superficie expuesta. dX/dt la diferencia de humedad respecto del tiempo.

III.- RESULTADOS. Las figuras presentadas solo muestran los datos de 4 de 10 pruebas que se realizaron a la menor temperatura utilizada, con el fin de apreciar mejor la curva generada de humedad con respecto al tiempo.

Con esto podemos observar los comportamientos que se desarrollan en cada una de las muestras bajo la influencia de la temperatura en la termobalanza, de igual manera se aprecian los periodos de secado a velocidad constante y velocidad decreciente. Se analiza seguidamente: La mayor variación de velocidad se da entre los primeros 90 – 150 minutos del secado; en las curvas se presentan un comportamiento constante hasta llegar a un estado de equilibrio que es cuando cada una de las muestras entran a un periodo de secado donde su contenido de humedad se presenta alrededor de un 10% y la velocidad se mantiene de forma decreciente.

Este hecho ocurre dado que durante la primera etapa del secado, se incrementa la transferencia de masa por evaporación del agua en la superficie de cada una de las muestras, seguido entra a un periodo de intensidad decreciente (cuando sobrepasa el contenido crítico de humedad) donde la velocidad de movimiento de la humedad desde el interior hacia la superficie se reduce, a tal grado que la superficie de la muestra comienza a secarse hasta que la misma alcanza el estado de equilibrio.

Estos resultados sirven como base para la selección de un método adecuado de secado, junto con la determinación de los parámetros óptimos de operación y el conocimiento de las propiedades físicas del alimento, esto para alcanzar una elevada calidad en productos.

Los experimentos de secado en la termobalanza arrojaron los siguientes datos;

FIGURA 1 CURVA DE SECADO DE PIÑA EN LA TERMOBALANZA A 60°C. LOS TIEMPOS GRAFICADOS SON EN INTERVALOS DE 30 MINUTOS.

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FIGURA 2 CURVA DE SECADO DEL AJO EN LA TERMOBALANZA A TEMPERATURA DE 55°C. LOS TIEMPOS GRAFICADOS SON EN INTERVALOS DE 30 MINUTOS.

FIGURA 3 CURVA DE SECADO DE TOMATE EN LA TERMOBALANZA A 55°C. LOS TIEMPOS GRAFICADOS SON EN INTERVALOS DE 30 MINUTOS.

FIGURA 4 CURVA DE SECADO DE MANGO EN LA TERMOBALANZA A 60°C. LOS TIEMPOS GRAFICADOS SON EN INTERVALOS DE 30 MINUTOS.

SECADO CON HORNO ELÉCTRICO Y SECADOR SOLAR. En la Tabla 1 se muestra como considerablemente se extrajo toda la masa húmeda, en un lapso continuo de 6 horas dentro del horno eléctrico a una temperatura constante de 55°C. Tomando en cuenta que durante el proceso de secado se presentaron las etapas de velocidad constante y velocidad decreciente, se puede tomar como punto de partida para crear proceso de secado en condiciones variables, donde en la primera etapa del secado se utilice una temperatura alta seguido de una reducción de la misma al momento de cambiar al periodo decreciente, esto con el fin de disminuir los consumos energéticos.

TABLA 1 MUESTRA LOS DATOS OBTENIDOS EN EL HORNO ELÉCTRICO A UNA TEMPERATURA DE 55°C EN UN TIEMPO DE 6 HORAS.

IV.- CONCLUSIONES. Con los resultados obtenidos para el período de secado a velocidad constante, se observa que cuanto más sea la velocidad del aire y se tenga una alta temperatura se produce una mayor transferencia de masa, lo cual genera una reducción significativa del tiempo en el proceso de secado. Estas pruebas experimentales nos dan una idea más cercana en las consideraciones que se deben de tomar al momento de escoger un secador solar para la producción de alimentos deshidratados, favoreciendo con ello a minimizar los costos de producción.

También se concluye que las curvas de secado obtenidas nos permiten analizar los cambios de humedad que éstas presentan en cada una de las muestras.

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V.- RECONOCIMIENTOS.

En la Figura 5 se presenta los datos de las pruebas hechas con la piña en el secador solar convencional y en el modificado, a una temperatura ambiente de 42 °C en la ciudad de Boca del Río, Veracruz, en el cual podemos observar como sí varia la velocidad de secado con las modificaciones en los empaques dentro de los tubos.

La rapidez de este proceso depende significatiamente del aire y de las características del producto (su composición, su contenido de humedad, etc.). El aire contiene y puede absorber vapor de agua. La cantidad de humedad que el aire puede absorber depende de su temperatura. A medida que el aire se calienta, su humedad relativa disminuye y, por tanto, puede absorber mayor humedad. Al calentarse el aire alrededor del producto, éste se seca más rápidamente.

Los autores agradecen a la Universidad Veracruzana en especial a la Dirección General de Investigaciones por el apoyo otorgado a la estudiante Evelin Maxcim López Hipólito para poder realizar esta estancia de investigación.

De igual manera al Mtro. Álvaro Romero por el conocimiento compartido.

FIGURA 5 CURVA DE SECADO DE PIÑA EN SECADOR SOLAR.

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VI.- REFERENCIAS.

[1] Becerá, M. S. (2013). Empleo del método de secado convectivo combinado para la deshidratación de papaya, variedad Maradol roja. Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 7.

[2] SAGARPA. (2016). 4To Informe de Labores. Ciudad de México.

[3] Singh, R. P. (1998). INTRODUCCION A LA INGENIERIA DE LOS ALIMENTOS. Zaragoza, España: Editorial Acribia.

[4] Geankoplis, C. J. (1998). Procesos de transporte y operaciones unitarias. México: Continental, S.A. de C.V. México.

[5] Romero Fernández, Á. (2018). Diseño, construcción y caracterización de un secador solar en el secado de chile habanero. Boca de Río, Veracruz.

[6] FAO. (2006). Calendario de cultivos, America latina y el Caribe. Roma.

[7] Muñoz, D. M., & Cabrera, G. (2006). EL SECADO DIRECTO E INDIRECTO DE PIÑA. FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS, 9.

[8] Gómez Cruz, N. (2016). Extracción asistida con microondas de aceite esencial de Acuyo (Piper auritum) y evaluación de su efecto antifúngico contra Penicillum expansum. Investigación y Desarrollo en Ciencia y Tecnología de Alimentos., 6.

[9] Marín, P. V. (04 de Septiembre de 2008). Manual de deshidratación I. Obtenido de Blogger: http:// manualdeshidratacion.blogspot.com/2008/09/ [10] Paternina, M. G. (2015). Modelo de la ninética de secado de Mango pre-tratadas con deshidrtación Osmótica y microondas. Bioltecnología en el sector Agropecuaria y Agroindustrial., 8.

[11] Pereira, A. G. (2013). Análisis comparativo de la cinética de deshidratación Osmótica y por flujo de aire caliente de la Piña (Ananas Comosus, variedad Cayena lisa).

Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias., 8.

[12] Rodríguez, J. H. (2011). Estudio de la cinética de secado de jitomate (Solanum lycopersicum L.). Científica, 7.

[13] Energia Solar Fotovoltaica. (2008). En M. A. Maza.

Limusa s.a. de c.v.

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“INSTRUMENTACIÓN EN UN BIODIGESTOR QUE OPERA CON DESECHOS ORGÁNICOS PARA LA PRODUCCIÓN DE METANO” MONSERRAT DE LA LLAVE VICENCIO, Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada zS17024371@estudiantes.uv.mx

MARCO ANTONIO VIGUERAS ZÚÑIGA, Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada. mvigueras@uv.mx

ESTELA DEL CARMEN FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. efernandez@uv.mx

ADRIÁN VIDAL SANTO, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. avidal@uv.mx

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RESUMEN En el presente trabajo se desarrolló la instrumentación completa para un biodigestor que opera con desechos orgánicos para la producción de metano (CH4); estos se obtuvieron de los desechos de las cocinas de algunos hoteles de la zona conurbada de la ciudad de Veracruz-Boca del Río. La instrumentación utilizada fueron sensores de temperatura y humedad (DHT11 y DHT22) para el monitoreo de las temperaturas iniciales y un sensor de temperatura sumergible (DS18B20) para la temperatura dentro del biodigestor; así mismo, se utilizó un actuador servomotor (MG90S) que opera para abrir/cerrar una compuerta interna y mantener la temperatura ideal de 35°C. Toda la programación se realizó en lenguaje C en la plataforma de ARDUINO y para el registro de datos se utilizó una microSD.

Palabras clave — Sensores, Actuadores, Temperaturas, Microprocesador, Arduino.

I.- INTRODUCCIÓN.

II.- MATERIALES Y MÉTODOS.

El término “instrumentación” se utiliza para referirse tanto al uso de instrumentos de medición para monitorear un proceso (sensores), como para los equipos utilizados para lograr el control (actuadores) La mayoría de los sensores se basan en elementos de los cuales uno de los parámetros (temperatura, humedad, frecuencia de señal, etc.) muestra un pequeño cambio en respuesta a uno o más medidos [1]. Los sensores y los actuadores son dos componentes críticos de cada sistema de control de circuito cerrado [2]. Los actuadores son básicamente el músculo detrás de un sistema mecatrónico que acepta un comando de control en forma de señal eléctrica y produce cambios físicos en el sistema al generar fuerza, movimiento, calor, etc. Normalmente los actuadores se utilizan junto con una fuente de alimentación y un mecanismo de acoplamiento, lo anterior lo menciona [3].

SENSOR DE TEMPERATURA Y HUMEDAD DHT11 Y DHT22 De acuerdo con la hoja de datos [4], el DHT11 es un sensor digital de temperatura y humedad relativa. tiene la capacidad de medir la humedad en un rango desde 20% hasta 90% y temperatura en el rango de 0ºC a 50ºC. En la tabla 1 se muestra la especificación técnica del sensor.

Para este trabajo se utilizó un sensor el cuál se colocó en la entrada del colector solar como primer punto de monitoreo de temperatura, se consideró este sensor ya que su rango de temperatura inicial es temperatura ambiente de 35°C, parámetro suficiente para ser cubierto por el mismo. El DHT22 tiene un rango de trabajo de 5% RH - 99% RH y -40°C a 80°C, su precisión alcanza hasta el 2% de HR y 0.5°C. Ambos sensores son usados con la plataforma ARDUINO, lo anterior se hace mención en [5]. En la tabla 2 se muestra la especificación técnica del sensor. Sin embargo, para una mejor precisión en la temperatura del

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colector solar, el DHT22 permite recibir temperaturas con dados en decimales teniendo una exactitud de ±0.5°C. SENSOR SUMERGIBLE DS18B20 Con base en la hoja de datos [6] el sensor DS18B20 es un termómetro digital, su rango de funcionabilidad es de -55°C a 125°C con una exactitud de ±0.5°C. Este sensor será utilizado para monitorear la temperatura dentro del biodigestor e ir monitoreando la temperatura ideal para la producción de las bacterias anaerobias para la fabricación del metano (CH4). En la tabla 3 se muestra la especificación técnica del sensor.

ACTUADOR MICRO SERVO METÁLICO MG90S Este servomotor es un pequeño motorreductor de corriente directa, permite tener un mayor torque para poder soportar mejor las cargas que vaya a soportar. Tiene la capacidad de rotar a 180° [7]. Se optó por la incorporación de este servo para poder activar una compuerta interna la cual se abrirá y cerrará cuando exista una diferencia de temperatura de 55°C, esto para conservar todo el calor posible dentro del biorreactor. En la tabla 4 se muestra la especificación técnica del servomotor. Con la ayuda de este servo se podrá accionar la compuerta dentro del colector solar.

MÓDULO MICRO SD Este módulo permite insertar una memoria Micro SD que son las memorias más abundantes en el mercado, usando la plataforma ARDUINO. Estas características nos dan una excelente opción de almacenamiento para usarlo en este proyecto, sobre todo cuando necesitamos guarda una gran cantidad de datos relacionados con los sensores [8]. Por esta razón se eligió este módulo para el almacenamiento de las lecturas de temperaturas en el colector solar. En la tabla 5 se muestra su especificación técnica.

MÓDULO DE COMUNICACIÓN BLUETHOOTH HC05 Este módulo se usó para mejorar la accesibilidad de los datos de temperatura que proporciona el sistema de monitoreo y control del colector solar, transmitiendo en tiempo real dichos datos y recibiendo mediante un microcontrolador que se define como dispositivos digitales que interpretan códigos binarios [9]. En la tabla 6 se muestra su especificación técnica.

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TABLA 1 - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS SENSOR DHT11

TABLA 2 - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS SENSOR DHT22

TABLA 3 - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS SENSOR SUMERGIBLE DS18B20

TABLA 4 - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS ACTUADOR MICRO SERVO METÁLICO MG90S

TABLA 5 - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MÓDULO MICRO SD

TABLA 6 - CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS MÓDULO DE COMUNICACIÓN BLUETHOOTH HC05

INSTALACIÓN Y CONEXIÓN DE INSTRUMENTACIÓN Cada uno de los sensores utilizados en este proyecto se colocaron con cinta doble cara para altas temperaturas de manera estratégica de tal modo que nos permitiera monitorear las temperaturas en los puntos de mayor interés; el sensor DHT11 está ubicado en la entrada del colector solar, esto con el fin de poder tener una temperatura de referencia que en este caso es la temperatura ambiente. Dos sensores DHT22 están colocados a lo largo de los tubos de entrada del colector antes mencionado y existen dos más que se encuentran dentro de la caja del colector con el objetivo

de conocer la temperatura a la que el biodigestor estará operando. El sensor sumergible está dentro del biodigestor, esta señal es la más importante porque dependiendo de la temperatura alcanzada se sabrá si se tiene una óptima proliferación de las de las bacterias anaerobias necesarias para la generación del metano (CH4). En la figura 1 se muestra la distribución sensorial del colector solar y en la figura 2 su conexión con ARDUINO. Para el servomotor que servirá de actuador para abrir y cerrar la compuerta dentro de la caja del colector solar, se diseñó e imprimió una base en 3D que sirve de soporte para éste. El mismo fue colocado en el lado izquierdo del colector solar, en ese mismo lado se instaló el protoboard que contiene el ARDUINO; al estar colocado el servomotor del mismo lado que el ARDUINO permitió tener una conexión directa entre ambos.

EXPERIMENTACIÓN PARA CONOCER EL PERFIL DE TEMPERATURAS Para las corridas realizadas en la comprobación de la funcionabilidad de los sensores instalados y el monitoreo de las temperaturas, se realizan siete pruebas (una diaria con un horario de 11:00 a 16:00hrs), dichas pruebas fueron ejecutadas en el puerto de Veracruz tomando en cuenta que las temperaturas ambientales en el puerto en el mes de noviembre son altas. En la tabla 7 mostramos los parámetros registrados para esos días antes mencionados.

El promedio de la temperatura en los días de prueba es de 27.40°C con su %HR (Humedad Relativa) de 71.85%, a continuación, en la gráfica 1 mostramos los perfiles de las temperaturas máximas registradas a las 16:00hrs. De acuerdo con la secuencia de cada sensor y el actuador, en el diagrama 1 describimos de manera gráfica el orden en que cada uno de la instrumentación antes mencionada va entrando en ejecución, en la plataforma ARDUINO no se necesitó un lenguaje como tal de programación, solo la instalación del controlador CP210x para la recepción de información de las temperaturas mandadas a la computadora mediante el módulo bluetooth.

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FIG. 1. DISTRIBUCIÓN SENSORIAL DEL COLECTOR SOLAR.

La conexión de los sensores y actuador, así como del módulo de Bluetooth y del módulo MicroSD se realizó con la ayuda de cables “jumpers”, protoboard, resistencias (4.7kΩ y 1kΩ) y ARDUINO PRO MINI, en la figura 3 se aprecia la conexión física de los sensores.

Para la alimentación de energía se utilizó una batería convencional de 5V la cual fue conectada directamente al módulo Bluethooth. Se descargaron drivers de los controladores CP210x USB a UART Bridge Virtual COM Port los cuales son necesarios para la conexión directa con el microcontrolador; posteriormente las lecturas de las temperaturas fueron programadas para que cada dos minutos estuvieran mandando la señal las cuales en automático se estarán guardando dentro de una memoria microSD.

FIG. 2. LADO IZQUIERDO: DISEÑO ESQUEMÁTICO DE CONEXIÓN DE SENSORES Y ACTUADOR. LADO DERECHO: CONEXIÓN DEL SISTEMA DE MONITOREO Y CONTROL DEL COLECTOR SOLAR.

TABLA 7 - REGISTRO DE TEMPERATURAS POR DÍA EN EL PUERTO DE VERACRUZ (2018)

FIG. 3. DIAGRAMA DE FLUJO PARA LA SECUENCIA DE LA INSTRUMENTACIÓN.

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III.- RESULTADOS.

VI.- REFERENCIAS.

Después de haber realizado siete pruebas de temperaturas se percató que existe realmente una pequeña diferencia de temperatura entre cada uno de los sensores. Los días de prueba variaron ya que las temperaturas ambientales para esos días no fueron las mismas, sin embargo, no existe diferencia significativa en la lectura de las temperaturas a lo largo de la semana de prueba. La gráfica resultante del perfil de temperaturas la cual se realizó mediante el programa MATLAB versión R2017b, se muestra a continuación.

[1] S. Middelhoek, P. J. French, J. H. Huijsing, y W. J. Lian, “Sensors with digital or frequency output”, Sensors and Actuators, vol. 15, núm. 2, pp. 119–133, 1988.

[2] R. H. Bishop, The Mechatronics Handbook. 2008.

[3] K. Kalantar-Zadeh, “Sensors: An introductory course”, Springer Sci., vol. 9781461450, pp. 1–196, 2013.

[4] M. E. Inc., “DHT 11 Humidity & Temperature Sensor”, 2018.

[5] A. E. Co, “DHT22 - DataSheet”, 2015.

[6] BricoGreek, “Utilizabndo el SENSOR DS18B20”, 2016.

[7] M. S. M. MG90S, “MG90S servo, Metal gear with onde bearing”, 2017.

GRÁFICA 1- PERFIL DE TEMPERATURAS EN °C

IV.- CONCLUSIONES. Con base en la experimentación realizada, se determinó que los sensores de temperatura y humedad DHT22 son mejores que los sensores DHT11 ya que, como se pudo comprobar en el monitoreo de temperaturas, estos últimos sólo marcan valores enteros de temperaturas; sin embargo, los DHT22 tienen la capacidad de poder registrar temperaturas con valores decimales de igual manera en los porcentajes de humedad.

Con lo anterior mencionado se puede realizar una mejora a la hora de la selección de sensores y cambiar el DHT11 por un DHT22. Con respecto a las temperaturas, no fueron las más favorables para la generación de las bacterias anaerobias, ya que las temperaturas ideales para dicha producción son de 50°C, las pruebas se realizaron en el mes de noviembre, mes en el cual la temperatura ambiental en el puerto de Veracruz empieza a decrecer considerablemente en comparación de los meses mayo-septiembre. Se propone considerar estos meses para futuras pruebas.

V.- RECONOCIMIENTOS. Agradecemos al CONACyT por la beca otorgada para el desarrollo de este proyecto, a la Universidad Veracruzana región Veracruz-Boca del Río y al Ing. Rodolfo Tiburcio por el apoyo técnico para este proyecto.

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[8] Lady Ada, “Micro SD Breakout Board Tutorial”, 2017.

[9] J. Fraden, Handbook of Modern Sensors. 2010.

“SIMULACIÓN NÚMERICA EN CFD DE UN QUEMADOR DE FLAMA DIFUSA UTILIZANDO BIOGÁS” ALDO GIOVANI VÁZQUEZ GUZMÁN, Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada zS17024377@estudiantes.uv.mx

DIEGO FABIÁN HERNÁNDEZ MÉNEZ, Facultad de Ingeniería de la Construcción y el Hábitat Maestría en Ingeniería Aplicada. hemdf387@gmail.com

MA. ELENA TEJEDA DEL CUETO, Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. etejeda@uv.mx

ADRIÁN VIDAL SANTO Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias Navales Boca del Río, Veracruz, México. avidal@uv.mx

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RESUMEN Este estudio muestra la comparación del rendimiento calórico y emisiones contaminantes formadas en la combustión de un quemador de flama difusa utilizando tres combustibles diferentes. El principal objetivo fue comparar el comportamiento en estado estacionario de la combustión de biogás comparado con otros dos combustibles obtenidos de fuentes no renovables.

Para el modelo numérico se utilizó el software comercial de dinámica computacional de fluidos ANSYS-Fluent, para la combustión se utilizó una relación de equivalencia de 1.

Palabras clave — Combustión, simulación numérica, CFD, metano, biogás.

I.- INTRODUCCIÓN. Actualmente, el impacto que han tenido el estudio de fluidos con la solución computacional de los modelos matemáticos han logrado un uso cotidiano como herramienta para optimización y diseñar cámaras de combustión [1]. La simulación numérica es la primera etapa antes desarrollar la construcción, lo que validará el uso de los recursos de la etapa experimental. Este tipo de análisis se realizan antes de manufacturar cualquier equipo, es decir, se ahorra una gran cantidad de recursos económicos, y más importante, entregar prototipos y modelos óptimos [2].

El diseño utilizando modelos numéricos, ha logrado una reducción en el consumo de combustibles tradicionales, mejoran la temperatura alcanzada por la cámara de combustión y la reducción de las emisiones contaminantes[2].

El uso del biogás como fuente de combustible, tiene diversas ventajas, debido a que es una fuente de energía renovable.

Por ejemplo, las emisiones de gas metano, mismo que es de efecto invernadero, se reducen considerablemente.

Más importante, el biogás, se produce en cualquier sitio, bajo cualquier condición climática, y, debido a la naturaleza de su materia prima; se vuelve una fuente inagotable de combustible. Durante el proceso biológico de producción, el producto mantiene intacto la concentración de Nitrito, Fosforo y Potasio, por lo que, se convierte en un fertilizante de alta calidad.

La aplicación de soluciones numéricas a biocombustibles permite estudiar la inestabilidad de sus componentes [3]. Por ejemplo, el precalentamiento del aire de entrada incrementar la temperatura de la flama o la diferencia en mezclas de biogás [1,4].

Para utilizar el biogás como combustible sin etapas previas de purificación es importante determinar su composición para una correcta oxidación. Por lo tanto, una simulación numérica sirve como herramienta para estimar el poder calórico del biogás.

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En esta investigación se realizó un estudio que analiza el poder calórico de una flama no premezclada de un quemador de gas de flujo vertical, con una inyección de aire axial y una inyección de combustible radial. La inyección tangencial de aire estabiliza la flama al inducir un giro en el flujo y crear una zona de recirculación que incrementa el tiempo de estadía de la mezcla de los reactantes y productos para

tener un mejor quemado [2]. Originalmente el quemador funciona con gas LP, pero se probaron otras combustibles: metano y biogás, para explorar las ventajas y desventajas que representa el uso de estos combustibles, reemplazando al gas LP. El biogás estudiado tiene una pureza del 70% de CH4 y 30% de CO2.

Nomenclatura Generación de energía cinética turbulenta debido a los gradientes de velocidad media.

Contribución de la dilatación fluctuante en la turbulencia compresible a la tasa global de disipación.

Primera Constante del modelo de turbulencia.

Segunda Constante del modelo de turbulencia.

Gravedad.

Entalpía específica de las especies.

Conductividad efectiva.

Temperatura.

Velocidad.

Subíndice de C Subíndice de H Velocidad de disipación.

Viscosidad Turbulenta.

Viscosidad.

Densidad Número turbulento de Prandtl para Tensor de esfuerzos

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II.- MATERIALES Y MÉTODOS. Para determinar el comportamiento de la flama utilizando los diferentes combustibles, se realizó un modelo numérico que simule la operación del quemador en el código en ANSYS-Fluent. La combustión es un fenómeno inestable y su solución es altamente compleja debido a la interacción de procesos físico-químicos que presentan, para dar solución al modelo numérico se utilizaron las ecuaciones que rigen su comportamiento: ecuación de los gases ideales, ecuación de continuidad, ecuación de movimiento, ecuación de la energía y ecuación de las especies. Estas se presentan a continuación.

Para modelar la cinética química de la combustión se utilizó el modelo del equilibrio químico, el cual asume que la química es infinitamente rápida.

En este modelo, las concentraciones de interés de las especies son determinadas por fracciones de la mezcla suponiendo que se encuentre en equilibrio químico. Con esto se pueden incluir los efectos de especies intermedias y reacciones disociativas, para obtener predicciones más precisas de la temperatura que alcanzará la flama, ya que, tienes la opción de enriquecer el límite de inflamabilidad.

Las condiciones de frontera utilizadas para realizar la simulación en frio se muestran en la tabla 1y posteriormente, se realizó la oxidación real de cada mezcla de combustible donde principalmente se analizó el comportamiento de diferentes porcentajes de metano contra el desarrollo de la flama de gas LP. Las condiciones para la combustión se muestran en la tabla 2.

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TABLA 1.-CONDICIONES INICIALES DE LA SIMULACIÓN DEL FLUJO DE AIRE.

TABLA 2.- CONDICIONES DE FRONTERA DE LA SIMULACIÓN DEL FLUJO DE COMBUSTIBLE.

En la tabla subsecuente, se la composición volumétrica de cada uno de los combustibles utilizados en la simulación.

AÑADIR LAS FRACCIONES VOLUMETRICAS. TABLA 3.- COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS COMBUSTIBLES.

Para modelar la turbulencia se utilizó el modelo k- estándar, el cual resuelve dos ecuaciones de transporte, una para la energía cinética turbulenta y la otra para la velocidad de disipación.

III.- RESULTADOS. Los resultados que se presentan a continuación comparan principalmente tres factores: el poder calórico del combustible empleado, la cantidad de CO2 que se alcanza a quemar en la flama y el H2O formado durante el proceso de combustión.

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temperatura está siendo quemado el vapor de agua, mismo que libera gases no nocivos para el ambiente.

FIGURA 1. COMPARACIÓN DE CONTORNOS DE TEMPERATURAS DE LOS COMBUSTIBLES ESTUDIADOS.

La figura 1 muestra los perfiles de temperatura de las flamas, se observa que todas poseen un espesor similar y longitud. La flama más dispersa es la del gas LP, así como también es el que contiene el poder calórico más elevado.

La diferencia de las temperaturas alcanzadas, comparando únicamente al biogás al 50% de pureza con los otros dos, es del 34% menos que la temperatura desarrollada por el gas LP y 33% menor a la temperatura alcanzada por el metano.

Esto no quiere decir que el biocombustible no sea factible de usar; los resultados únicamente nos muestran que, en efecto, el gas LP y el metano tiene un mayor poder calorífico. En la figura 2 se muestran los perfiles para el comportamiento del CO2, emitido durante la quema de los combustibles:

FIGURA 3. COMPARACIÓN DE CONTORNO DE VAPOR PRESENTE EN LA COMBUSTIÓN.

En cuanto al comportamiento del vapor de agua, se aprecia que, en todas las simulaciones numéricas, existe una clara dispersión de este, el cual, no es nocivo para el medio ambiente, pues ayuda a equilibrar la composición química en la capa de ozono. Pero en este caso, todo se reduce nuevamente a las cantidades emitas de CO2, puesto que no importa, que tanto residuo no nocivo para el ambiente liberemos, sino cuanto nocivo despedimos, y finalmente la relación directamente proporcional que existe en los gases de escape liberados, pueden ser positiva o negativa, y obviamente mientras menos dióxido de carbono y monóxido de carbono exista en la mezcla de gases de escape, menor será el daño ambiental.

IV.- CONCLUSIONES.

FIGURA 2. COMPARACIÓN DE CONTORNOS DE CO 2 PRESENTE EN LA COMBUSTIÓN.

En los perfiles de dióxido de carbono, se aprecia que tanto en el gas LP y el gas metano, existe una obvia y amplia liberación de este gas nocivo para el medio ambiente, en cantidades, demasiado elevadas. Ahora si proyectamos esto a todos los hogares que utilizan el gas LP para cubrir sus necesidades de calentamiento de agua de uso sanitario, o, uso en la cocina, por mencionar algunas; conforme pase el tiempo, por la cantidad de personas que utilizan el gas incorrecto, el cual genera 5% más dióxido de carbono que el biogás con 50% de pureza, se incrementaran las emisiones de este gas enviadas hacia la atmosfera.

En la figura 3 se muestra la comparación de la formación de agua, o en términos de resultados de la combustión, a que

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Los resultados obtenidos de la simulación numérica de la combustión del quemador empleando tres diferentes combustibles, indican que de manera contundente el gas LP es el de que tiene el mejor rendimiento calórico, pero también el que posee la mayor producción de gases nocivos para el ambiente, tales como CO2; por tanto, el gas LP, está lejos de ser la única vía eficiente para cubrir las necesidades derivadas de los distintos usos que se le da actualmente.

Hoy en día, es necesario utilizar diferentes formas de combustibles, preferentemente renovables. Y eso es el biogás, un combustible cuya materia prima es constante (difícilmente escasea), sus condiciones de producción no son limitadas y aparte de proveer una reducción de los gases de efecto invernadero. Es sustentable, funcional y permite utilizar residuos de todo tipo.

Por ello es importante conocer sus alcances, y mejorar su modo de empleo.

Como trabajo a futuro se realizará una investigación con los gases de trazas que contiene el biogás. También, se debe realizar la simulación en estado transitorio para determinar las consecuencias de una combustión deficiente.

V.- RECONOCIMIENTOS. Agradecemos al Conacyt por la beca de manutención otorgada y a la Universidad Veracruzana región VeracruzBoca del Río por facilitarnos las instalaciones y el material necesario para el desarrollo de este proyecto.

VI.- REFERENCIAS. [1] M. İlbaŞ, M. Şahin, and S. Karyeyen, “3D numerical modelling of turbulent biogas combustion in a newly generated 10 KW burner,” J. Energy Inst., vol. 91, no. 1, pp.

87–99, 2018.

[2] M. E. Tejeda del Cueto, M. O. Vigueras Zúñiga, C. M. Welsh Rodríguez, L. F. Marin Urias, A. L. Herrera May, and C. L. Ordoñez Romero, “Alineamiento de flama usando placas perforadas Tándem en una cámara de combustión de Gas LP,” SOMIM, vol. 5, no. 2, pp. 293–302, 2015.

[3] D. Ju, Y. Qian, X. Shan, S. Sun, and X. Lu, “Review of the state-of-the-art of biogas combustion mechanisms and applications in internal combustion engines,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 69, no. September 2016, pp. 50–58, 2016.

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[4] A. Greco, D. Mira, and X. Jiang, “Effects of Fuel Composition on Biogas Combustion in Premixed Laminar Flames,” Energy Procedia, vol. 105, pp.

1058–1062, 2017.

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