SAICH
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO INTELIGENTE DE CICLO HIBRIDO
Introducción
En México existen diversos sectores vulnerables, de los cuales las zonas rurales y comunidades indígenas son las más destacadas. Actualmente México cuenta con 68 pueblos indígenas que juntos suman 11 millones 132 mil 562 habitantes (Balderas, O. febrero 2014). El apoyo gubernamental a comunidades rurales ha disminuido drásticamente, lo que ha provocado el descuido de dichos sectores poblacionales por parte del gobierno. Esta situación ha ocasionado problemas de falta de actividades laborales, hambruna, desabasto del suministro de la energía eléctrica, entre otros.
Por otro lado las energías renovables, las cuales han comenzado a tomar un gran auge en México, ofrecen a la comunidad mundial y específicamente a México una opción viable, no solo para resarcir el daño hecho al planeta por la contaminación, también son una opción para ayudar a los gobiernos a solucionar problemas de desabasto de energía eléctrica en comunidades rurales o no urbanizadas, sin mencionar las implicaciones de ofrecer actividades que ayuden a introducir a estas comunidades a la economía nacional.
Si bien, existen muchas aplicaciones de las energías renovables, es relevante mencionar que los costos de adquisición son elevados, y lo que es aún más importante, las aplicaciones que existen en la actualidad no ofrecen la opción más eficiente. Es justamente por lo antes mencionado que el proyecto de la incubadora autónoma de ciclo híbrido ofrece una excelente opción, ya que al combinar el uso de la energía solar térmica y la energía solar fotovoltaica, hace eficiente el uso de las energías renovables brindando un producto innovador y económico.
Planteamiento del problema
En la actualidad las incubadoras de energías renovables cuentan con una resistencia eléctrica que se encarga de calentar los huevos, un volteador que se encarga de moverlos para que no se pegue el embrión, y un abanico de recirculación para distribuir el calor uniformemente. Independientemente del aislante utilizado, la resistencia representa por lo menos el 70 por ciento de la energía total a utilizarse. Por lo que en este proyecto se limitará a reducir esa cantidad de energía utilizada.
Una incubadora fotovoltaica tiene que contar con un panel solar y una batería lo suficientemente grandes para abastecer energía durante el día, durante la noche y durante los días completamente sin sol. Es importante mencionar que el panel y la batería son los componentes más caros del sistema de incubación, por lo que reducir su tamaño optimizando la energía, representa un ahorro significativo.
Este proyecto se guía bajo la siguiente pregunta de investigación ¿es posible reducir el consumo de energía eléctrica de un sistema de incubación fotovoltaico, sustituyendo el consumo de energía durante el día con un sistema solar térmico; y sustituyendo el consumo de una parte de la noche almacenando aire caliente?
Los objetivos de este proyecto son:
- Reducir costos de sistemas de incubación autónomos.
- Optimizar el uso de la energía renovable utilizando sistemas combinados.
- Ofrecer una opción más viable para el uso a gran escala de sistemas de incubación autónomos.
Justificación
Desde un punto de vista socioeconómico, es bien sabido que las instituciones gubernamentales lanzan proyectos de apoyo a las comunidades rurales, con el objetivo de apoyar las carencias de esta población vulnerable. El uso de una incubadora de energías renovables, es una opción viable para ayudar a las comunidades rurales a producir una parte importante de su ingesta proteica, y al mismo tiempo representa una opción de inserción laboral en la economía nacional, ya que las carnes de ave son parte fundamental del mercado alimenticio no solo nacional, sino también mundial. Por otro lado se presenta un apoyo para las comunidades donde por falta de recursos en el país, no se cuenta con alimentadores de energía eléctrica, sustituyéndola por energías alternativas.
Desde una mirada tecnológica, se debe mencionar que sin importar el tipo de energía que se utilice, la eficiencia de su aprovechamiento es de suma importancia, ya que representa un ahorro considerable en el costo de producto final. Esta incubadora autónoma de ciclo híbrido, mediante la utilización de dos tipos de energía renovable, presenta una opción más eficiente que impacta directamente en el costo beneficio.
El uso de ciclos combinados de diversos tipos de energías renovables para obtener en el caso de este proyecto, aire caliente, brindan un panorama de aplicar no solo dos tipos, sino varios tipos de energías renovables en la búsqueda de la autosustentabilidad y una mayor eficiencia del uso de la energía.
Hipótesis o proyecto de trabajo
Es posible reducir el consumo de energía eléctrica en watts-hora de un sistema de incubación fotovoltaico simple, combinándolo con un sistema solar térmico; generando el calor que se requiere durante el día con un sistema solar térmico de tubos de vacío, y guardar aire caliente para reducir el consumo de watts-hora durante una parte de la noche.
Objetivo general
Reducir el consumo de watts-hora utilizando una incubadora solar fotovoltaica, agregando un sistema solar térmico que provea la energía térmica necesaria durante el día y almacene aire caliente para la energía solar necesitada durante parte de la noche.
Objetivos específicos
- Construir una incubadora para ayudar a los sectores vulnerables en el país e incluso mundialmente que no cuentan con redes eléctricas de electricidad.
- Construir una incubadora que funcione con un sistema híbrido gracias a la combinación de energías alternas como: la energía fotovoltaica y energía termo-solar, optimizando el uso de la energía.
- Construir una incubadora autónoma más económica que las que existen en el mercado a corto y largo plazo.
- Ofrecer una opción del uso de ciclos combinados de generación de energía renovable para lograr una sustentabilidad más viable económicamente y una mayor eficiencia de la energía.
- Dar pauta a futuras investigaciones sobre sistemas autónomos eficientes.
Marco teórico
Sistemas fotovoltaicos autónomos (SFA)
Este tipo de sistemas se caracterizan por ser independientes de la red que las compañías comerciales ofrecen en el país.
Ya que los paneles solares lo único que hacen es generar energía eléctrica mientras están expuestos a los rayos del sol, este tipo de sistemas requieren una batería de ciclo profundo para que puedan funcionar durante la noche o durante periodos nublados.
Las principales aplicaciones en México para los SFA son: electrificación de casas rurales donde no existen alimentadores eléctricos de CFE (Comisión Federal de Electricidad), zonas apartadas, alumbrados de parques y puentes, para repetidoras de radiofrecuencias, etc. Es de suma importancia que el diseño de estos sistemas sea cuidadoso, para no ir a agotar las baterías o para no dejar sin energía a los usuarios en los días de poca radiación solar (CONERMX, 2015).
Energía termosolar
La energía solar térmica, es utilizada en los sistemas fototérmicos, que por definición son aquellos que utilizan la energía solar como fuente directa de calor para usos térmicos (Monterubio, P. 2015)
Los sistemas solares térmicos se clasifican en tres categorías: sistemas de baja temperatura; que son los que trabajan a menos de 90 grados centígrados, sistemas de mediana temperatura, los que trabajan entre 90 y 250 grados centígrados, y los sistemas de alta temperatura; que son los que trabajan a más de 250 grados centígrados (Monterubio, P. 2015).
En el caso del presente prototipo se trabajará con un sistema fototérmico de baja temperatura.
Funcionamiento de las incubadoras
Se deben de controlar parámetros que son esenciales para la generación de una atmósfera buena en el sistema. Lograr una temperatura aproximada de 38 ºC en la cámara de incubación. La humedad relativa debe ser superior al 50%. Los huevos deben de modificar su posición a lo largo de todo el proceso, por menos los primeros 17 días, con la finalidad de que el plasma no se pegué con el cascarón. Por último se necesita de una buena oxigenación en la cámara de incubación. Todo esto es con la finalidad de garantizar un ambiente óptimo para el proceso de la incubación de los huevos de gallina. Además de contar con una fuente de energía solar para evitar pérdidas en el proceso (Gallardo, M. 2015).
Los aspectos físicos más importantes a controlar son: la temperatura; que se debe mantener alrededor de 38 grados centígrados, la humead relativa; que se debe de mantener alrededor de 50%, y el volteo de los huevos para que no se pegue el plasma; que debe de ser cada cuatro horas durante periodos de 1 minuto (Gallardo, M. 2015).
Deben considerarse aspectos de fácil mantenimiento, limpieza y sanidad, espacio suficiente, ventilación y oxigenación adecuada.
Descripción de planeamiento y desarrollo del proyecto
El proyecto nace con la inquietud que el docente encargado de la especialidad sembró en todos los que en octubre del 2015 éramos sus alumnos. Con la explicación de la normatividad y bases del concurso, por lo que solicitamos al docente fuera nuestro asesor.
Juntos desarrollamos un plan de trabajo, el cual comenzó con buscar un proyecto el cual fuera de nuestro agrado y que sirviera para solucionar un problema de nuestra comunidad, además de poder aplicar nuestros conocimientos, también pensamos en la forma de innovar y proponer nuevas ideas.
Esto nos tomó dos semanas de investigación, diálogos con nuestro asesor y familiares hasta que finalmente tomamos la decisión de desarrollar lo que hoy llamamos
incubadora autónoma de ciclo híbrido.
Primeramente planteamos el problema y estimamos cálculos para seleccionar todos los componentes necesarios para el desarrollo de la incubadora. Este primer paso nos tomó una semana, ya que comparamos elementos existentes y la factibilidad de conseguirlos, ya sea por parte de la escuela o con familiares.
Un segundo paso, fue conseguirlos, para lo cual tuvimos que modificar aún más la lista original ya que se presentaron diversas dificultades de recursos económicos.
El tercer paso, fue hacer un diseño que cumpliera con los requerimientos del concurso principalmente que no excediera el metro cubico y fuera funcional de acuerdo a nuestra investigación. Este paso duro 2 semanas debido a que surgieron correcciones e ideas nuevas para que fuera más funcional.
Una vez con el diseño final de la incubadora, procedimos a realizar la fase uno del prototipo. Un cubículo de madera semejante al cajón de la incubadora, esto nos tomó alrededor de 1 semana (ver anexo 1). Después, procedimos a construir una estructura en el laboratorio de soldadura del plantel.
Una vez terminada la estructura, se agregaron diversos componentes como: el inversor y la batería, de ahí se procedió a automatizar, luego a poner en funcionamiento el prototipo.
Finalmente se realizaron pruebas para aceptar la hipótesis planteada como verdadera.
Con este prototipo fase 1 se ganó el primer lugar a nivel estatal. Terminado el concurso se tomó un mes más para realizar mejoras y poder pasar a un prototipo fase dos más factible para su comercialización (ver figura 1)
Descripción del grado de innovación
Antes de comenzar el proyecto, se realizó una investigación en internet utilizando los tres buscadores, google, bing y yahoo. Se trataron de localizar las características de las incubadoras ofrecidas en el mercado encontrando así incubadoras automatizadas y solares, pero todas estas basan su funcionamiento exclusivamente en un solo tipo de energía, la fotovoltaica.
La incubadora autónoma de ciclo híbrido basa su funcionamiento en dos tipos de energías renovables. La incubadora consta de una cámara superior que guarda aire caliente hasta 70 ̊C generado con tubos de vacío directamente del sol, el cual es medido por un sensor. También consta de una cámara de incubación inferior (ver anexo 2), cuya temperatura es medida por otro sensor. Un PLC se encarga de administrar las energías. Si se necesita aire caliente se extrae de la cámara superior por medio de un abanico de 1W, y si el aire se acaba en esa cámara, el PLC prende la resistencia eléctrica de 100 W hasta que detecta que la cámara superior tiene calor suficiente y dejar de gastar 100W utilizando nuevamente el abanico de solo 1W. (Ver anexo 2 y 3 para más detalles)
Con lo anterior mencionado, se logran comprobar la hipótesis como verdadera, obteniendo los siguientes beneficios: Una mayor eficiencia de la energía; que a su vez se traduce en un menor costo; un sistema autónomo con mayor tiempo de autonomía con un acumulador y una celda solar más pequeños; investigaciones futuras en producción de aves a gran escala en lugares sin electricidad (CFE), guardando más aire caliente o líquido; e introducir a las comunidades rurales a la economía nacional.
Descripción de impacto social o tecnológico y desarrollo sustentable
Como ya se mencionó en esta investigación, en México existen muchas zonas rurales donde no llegan los servicios, principalmente la energía eléctrica. La incubadora autónoma de ciclo híbrido, puede contribuir a que los habitantes de estos lugares tengan un medio de sustento alimenticio; y al mismo tiempo podría convertirse en una actividad económica que ayudaría a los habitantes de estos lugares, a permanecer en ellos y conservarlos. México no es el único lugar en el mundo donde se presentan estas circunstancias. Este prototipo propone un modelo de ayuda social para todos los lugares del mundo donde se presenten las condiciones antes mencionadas. La energía que utiliza esta incubadora, es en su totalidad renovable y no tiene impactos negativos sobre el planeta.
Análisis de resultados
Para poder analizar los resultados se hizo funcionar la incubadora en dos formas. Una como incubadora solar que se ofertan en el mercado, únicamente con resistencia eléctrica y sistema solar fotovoltaico. Para lograr esto, se canceló la cámara de aire caliente y se modificó el programa de automatización para que funcionara de esta manera.
La segunda, se hizo funcionar como un sistema híbrido, esto es: utilizando el sistema termo solar, con tubos de vacío y un abanico de 1 watt que funciona únicamente para extraer el aire caliente de la cámara (ver anexo 1).
Se seleccionaron dos días similares de diciembre con temperaturas de 3 ̊C durante la mañana y 11 ̊C durante el día. Ambos soleados.
Se descartaron los consumos eléctricos que para ambos casos son comunes e iguales (volteador automático, abanico de recirculación de aire y sistema de control). Por lo que solo se midió el tiempo que enciende la resistencia de 100w, contra el tiempo que enciende el abanico de 1 w, durante 1 hora.
Caso 1. Incubadora solar convencional.
Caso 2. Incubadora solar autónoma de ciclo hibrido
En ambos casos se logró una temperatura estable, pero en la incubadora convencional la resistencia de 100W se prendió 5 veces en una hora con un tiempo total de encendido de 40 minutos. En cambio en la incubadora autónoma de ciclo híbrido se encendió el abanico de 1W, 8 veces con un total de tiempo de 30 minutos. La convencional consumió 66 watts-hora en una hora, mientras que la híbrida solo consumió 0.5 watts-hora en una hora. Este ahorro se logra siempre que salga el sol, comprobando así la hipótesis de la investigación. Cabe mencionar que se da un ahorro extra en el calentamiento inicial. (Ver anexo 4).
Conclusiones
En la investigación del uso de las energías renovables, además de todo el conocimiento técnico y científico relacionado con ellas, se tiene que hacer conciencia de que no se puede dejar a un lado las implicaciones sociales, económicas y políticas que se encuentran inmersas.
La ideología de un sistema capitalista que bombardea al planeta entro con ideas consumistas, en donde se agrandan cada vez más las diferencias sociales. Dejan una gran cantidad de sectores de la población desprotegidos y vulnerables, aunado a esto, dañan el planeta tratando de extraer cada vez más materia prima para generar bienes de consumo en cantidades masivas. En sí, fracturan, destruyen y contaminan el planeta para lograr mantener el sistema de producción que el capitalismo demanda.
Las energías renovables en la actualidad, intentan aliviar el impacto negativo que se ha generado en el planeta. Pero hoy en día, no logran revertirlo ya que las demandas del sistema capitalista son infinitas.
Esta investigación nos deja como experiencia que el uso de las energías renovables tiene que ir acompañado de un verdadero cambio de conciencia que permita luchar no solo contra los daños ecológicos del planeta, sino contra las verdaderas causas que los provocan.
Por lo antes mencionado, se elaboró esta incubadora pensando en apoyar a los sectores pauperizados de la población de nuestro país. Y proponiendo además una aplicación técnica, limpia e innovadora.
Bibliografía
Balderas, O. (2014); ¿Cuántos y cuáles pueblos indígenas hay en México? Revolución tres punto cero, disponible en: http://revoluciontrespuntocero.com/cuantos-y-cuales-pueblos-indigenas-hay-en-mexico-interactivo/, 10-febrero 2016.
CONERMEX te conecta con el sol (SF). Disponible en: http://www.conermex.com.mx/informacion-de-interes/sistemas-solares-autonomos.html (consultado 12/12/2015)
Monterrubio, P. (2015); Energía Solar Térmica. Proyecto Tierra, disponible en http://www.poyectotierra.com.mx, 6-febrero-2016
Gallardo. M, Campos. M, Girón. Díaz. M, Del Valle. B y Joseph. S, Automatización de Incubadoras Solares, Sexto Congreso Nacional de Mecatrónica, disponible en: http://www.mecamex.net/anterior/cong06/articulos/60728final.pdf, 10-diciembre-2015
Anexo1. Fases de mejora en prototipo.
Incubadora autónoma de ciclo híbrido, prototipo fase uno: Hecha de materiales no resistentes a la intemperie y con componentes eléctricos expuestos. Se utilizó para hacer pruebas iniciales.
Incubadora autónoma de ciclo híbrido, prototipo fase dos: Se agrega gabinete para proteger componentes eléctricos y se utilizan materiales resistentes a la intemperie, además se agrega aislante térmico con mejora en factor de aislamiento térmico
Anexo 2. Esquema de incubadora autónoma de ciclo híbrido.
