Marco teórico e hipótesis de trabajo

En la región de influencia de Villa Mercedes, dedicada a los cultivos extensivos y a la ganadería, se requiere extraer aguas subterráneas para la alimentación del ganado y de los propios habitantes rurales. Los actuales procedimientos empleados para la extracción de agua, cilindros con pistones y suela de cuero, varillas extremadamente largas para mover dichos pistones etc., tienen por estas características importantes desventajas que se suscitan a la hora de efectuar su reparación o mantenimiento. El costo es en consecuencia elevado y esto trae como resultado numerosos casos de abandono de las instalaciones y con ello el de la actividad. Por esta causa se  desarrolla un dispositivo que no tenga partes móviles en su funcionamiento para que los costos de mantenimiento y reparación se reduzcan notablemente, permitiendo además que sea el mismo personal rural el que lo lleve a cabo dicha tarea. Una bomba de aire comprimido reúne estas condiciones y el compresor se acciona mediante paneles fotovoltaicos o generadores turbinas eólicos  reduciendo así los gastos en combustible y acarreo de este, dado que la mayor parte de la región rural carece de energía eléctrica convencional. En conclusión todos estos estudios correspondientes a la bomba de aire comprimido y los ensayos practicados tienen como objetivo formar un equipo alimentado con paneles solares o generadores eólicos (para la generación de energía eléctrica), baterías (para almacenamiento de dicha energía), conversor y un Controlador Electrónico de Tiempos para comandar los tiempos de carga y de descarga de la cámara, que accione un dispositivo simple,  de bajo mantenimiento, de bajo costo para la extracción de agua.

Como en numerosos casos las aguas que se extraen son salobres, parte de esta deberá ser potabilizada. Existen dos procedimientos para extraer las sales: Por filtrado a través de membranas o por destilación. En ambos casos se puede usar el recurso solar. Generando el gradiente térmico para el primero y por evaporación a bajas temperaturas en el segundo. También es posible la combinación con los sistemas convencionales que operan a mayores temperaturas, de manera que el aporte solar sea para ahorrar energía.

En referencia a las fuentes de energía a utilizar la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra y su interacción con la atmósfera, viene siendo estudiada intensamente desde mediados del siglo veinte existiendo abundante bibliografía. En particular las formulaciones y algoritmos desarrollados para la generación de datos de radiación global a partir de la heliofanía, radiación horaria horizontal y en planos inclinados a partir de datos de la radiación global diaria horizontal,  etc.

La base teórica del dispositivo de extracción de agua corresponde a la Mecánica de los Fluidos. En particular la Hidrostática explica su principio de funcionamiento. En cuanto a los cálculos de tiempos, caudales y potencia la Dinámica de los Fluidos provee las ecuaciones necesarias.

Se trabajará con especial énfasis en el estudio minucioso y comparativo entre ambos tipos de energía renovables y en el desarrollo de la electrónica necesaria para su mejor utilización y aprovechamiento en nuestra zona.

Por otro lado, el aprendizaje conceptual y significativo de las ciencias experimentales es un objetivo absolutamente prioritario en aquellas sociedades que apuntan a un desarrollo nacional sostenido y a mantener o alcanzar una situación de liderazgo mundial basado en el desarrollo tecnológico.

Primeramente, entre las razones que hacen a la baja utilización de las energías renovables, se identifican los problemas de falta de conocimiento de la gente en general y falta de formación de los profesionales que potencialmente estarían capacitados para trabajar en su aprovechamiento (Kandpal y Garg, 1998). La formación de profesionales en el área de renovables surge entonces como una tarea impostergable para todos aquellos que se dediquen a la investigación y desarrollo en estos temas, teniendo sobre todo en cuenta que los estudiantes que van a egresar de las universidades serán los futuros ingenieros, arquitectos, educadores, políticos y clase dirigente en general de un futuro inmediato (Grimnes, 1999).

A la tecnología la entendemos como el conjunto ordenado de conocimientos utilizados en la producción y comercialización de bienes y servicios. Se destaca que el conjunto de conocimientos que definen una cierta tecnología está integrado no sólo por conocimientos científicos provenientes de las ciencias fácticas, formales o sociales, sino también por conocimientos empíricos. Es fundamental la aplicación de principios racionales, en el control o reordenamiento del espacio; la materia, la energía, la informática y los recursos humanos, son fines y funciones relacionadas con necesidades humanas.

Si bien la ciencia y la tecnología tuvieron su origen y desarrollo inicial por carriles diferentes (fruto de la separación entre mente -conocimiento racional- y mano-conocimiento práctico-) es hoy indudable su interrelación. La continua expansión de la investigación científica dedicada a la exploración de los secretos de la naturaleza y a su control para su utilización social, es un estímulo cada vez más importante para el desarrollo tecnológico. Recíprocamente la tecnología ha posibilitado la apertura de nuevos campos del conocimiento y acelerado el desenvolvimiento de otros.

El acontecer tecnológico transcurre en el espacio de las estructuras productivas de bienes y servicios, por ello los programas de política científica y tecnológica deberán ser coherentes con las circunstancias socio-políticas y económicas de la sociedad. La concientización de esta situación, por toda la sociedad o por la gran mayoría de los individuos que la conforman, indica la clara necesidad de que el sistema educativo produzca una cultura que incorpore el racionalismo de la ciencia y de la técnica.

Nuestro proyecto prevé el dictado permanente de cursos de posgrado y especialización en el área de energías alternativas, tanto para docentes y profesionales a nivel de posgrado, como de asignaturas optativas, a nivel de grado, para las distintas carreras de ingeniería. Es necesario partir en la enseñanza del nivel de desarrollo mental e intelectual del educando, conectando los conocimientos previos con los materiales de aprendizaje, para lograr la construcción de aprendizajes significativos.

 

Antecedentes del tema

Se formuló una propuesta para extraer aguas subterráneas mediante un dispositivo que se opera con aire comprimido, generado con energía solar o eólica. Se describieron las características y etapas de operación del dispositivo, energía requerida, potencia y caudales posibles de obtener, se evaluó  su costo y las ventajas sobre otros dispositivos existentes. (con publicaciones en ASADES 1997  Río Cuarto –Córdoba-)

Luego de haber hecho el estudio teórico se procedió a la construcción de un prototipo con materiales comunes de polipropileno de 50mm de diámetro,  se colocaron los contactos de bronce en la parte superior e inferior de la cámara para que controlar el nivel de carga de agua y el nivel de descarga respectivamente. Se realizaron ensayos a distintas alturas de extracción pero a una misma altura del nivel del agua por sobre la cámara (0,50 m). La primera y principal conclusión de estos primeros ensayos, es que el dispositivo en general y en particular, la válvula de control  de ingreso y egreso de aire comprimido, funcionan correctamente, de acuerdo a lo previsto (con publicaciones en ASADES 1998 Salta - ASADES 1999 Tucumán, y patente según Expediente Acta Nro. P980104484 Fecha: 08/Sep/1998)

Todos estos resultados obtenidos, tanto de caudal como de energía consumida por litro de agua extraída, y de tiempo de extracción, fueron útiles y necesarios para poder diseñar nuestra fuente de generación de aire comprimido ya sea a través de energía solar como así también de energía eólica. Se hicieron pruebas de extracción con caños de distinto diámetro para la elevación del agua resultando datos similares. En unas nuevas pruebas se colocó la cámara a mayor profundidad respecto al nivel del agua en el pozo, resultando una disminución de los tiempos de carga, y con esto por ende mayor caudal de extracción por unidad de tiempo. Se hicieron pruebas hasta 30 metros con simulador obteniéndose datos muy satisfactorios (Patente según Expediente Acta Nro. P990105643 Fecha: 08/Nov/1999).

     Se estudió, desarrolló y construyó  un nuevo dispositivo con dos cilindros en paralelo para que el flujo de agua sea continuo encontrándose resultados de duplicación del caudal de agua con respecto al primer modelo experimental (9º Congreso Chileno de Ingeniería Mecánica (con publicaciones en IV Congreso Nacional de Energía (CONAE) –Chile-, ASADES 2000 –Chaco-, V Jornadas de Divulgación Científico-Tecnológica -San Luis-, y patente según Expediente Acta Nro. P000104845 Fecha: 15/Sep/2000).

Posteriormente, de acuerdo a los objetivos y necesidades,  se estudio un modelo el cual pudiera ser utilizado a profundidades mayores a los 30 metros, resultando de ello el desarrollo de una bomba neumática en serie para extracción a profundidades mayores a 30 metros (con publicaciones en IX Encuentro Latinoamericano y del Caribe sobre pequeños Aprovechamientos Hidroenergéticos 2001 – Neuquén- y patente según Expediente Acta Nro. P000104844 Fecha: 15/Sep/2000)

Luego, y con la consigna de reducir los costos de  fabricación del dispositivo de extracción de agua, se estudió desarrolló y construyó  un controlador de tiempo electrónico (con publicaciones en World Renewable Energy Congress VII – WREN /  Cologne, GERMANY – 2002 y patente según Expediente Acta Nro. P020105077 Fecha: 02/Dic/2002)

               Se construyo un segundo prototipo con cilindros en bronce para la utilización de bomba con mayores presiones, donde se encontraron problemas en las válvulas de retención de entrada del agua diseñándose una nueva válvula para mejorar los tiempos totales (carga y descarga) y de esta forma aumentar el caudal horario. Se están estudiando las distintas curvas que hacen al funcionamiento de la bomba neumática en distintas situaciones de uso, tratando de mejorar y eliminar todo problema y aumentar la eficiencia en su utilización, para lograr un modelo comerciable. (2004-2005).

               Se realizaron los cálculos para su utilización real en el riego de un invernadero con plantación hortícola. (con publicaciones en CADIR 2005 – Merlo S.L. y ASADES 2005 – San Martín de los Andes)

               Se instalaron dos generadores eólicos de 1000 w c/u, con sus correspondientes reguladores de voltajes y bancos de baterías, para el análisis de energía eólica en el campus universitario. Se diseño además, un sistema de alumbrado de emergencia para el campus. Se cuenta tambión con un generador extra para realizar pruebas en la zona de Villa Mercedes y alrededores. (2005)

Para accionar la bomba con energía solar, en la zona de Villa Mercedes, se investigó el recurso solar en la zona, obteniéndose  una base de datos que cubre 20 años de valores medios de radiación solar horizontal y difusa para Villa Mercedes, empleando datos de radiación registrados durante cuatro años  en la zona por la Red Solarimétrica Nacional y de heliofanía relativa provistos por el Servicio Meteorológico Nacional (20 años). Con estos últimos datos, se generaron datos  de  radiación diaria mensual (con publicaciones en ASADES 1997 Río Cuarto – Córdoba-). Luego con estos valores se obtuvo la radiación horaria y difusa horaria, y con el ángulo zenital horario, la radiación directa normal horaria. Finalmente, se calculó la radiación que recibiría: un colector plano con seguidor solar, un colector plano inclinado 45 grados al Norte y un colector plano inclinado 45 grados al Norte con seguidor solar (con publicaciones en ASADES 1998 –Salta-,  ASADES 1999 – Tucumán-).

Se continua con la adquisición de datos de radiación solar global, se amplio la base datos, y los mismo se están correlacionado actualmente con valores satelitales, cartas de radiación y correlaciones matemáticas (con publicaciones en World Renewable Energy Congress VII – WREN / Cologne, GERMANY – 2002). Actualmente los datos se radiación solar se complementan con datos provenientes de una estación meteorológica que posee el Laboratorio, los cuales se publican automáticamente en forma on-line en Internet.

Con los datos y desarrollos obtenidos se construyó un sistema completo de generación de energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos, acumuladores y conversor de energía. El cual además de utilizarse en las pruebas de la bomba neumática (tanto para el primer prototipo en acrílico como para el segundo en bronce), se usa como energía alternativa de emergencia para los servicios auxiliares del Campus Universitario y del Laboratorio de Energías Alternativas.

Conjuntamente se ha observado que el lento desarrollo y aplicación de tecnologías de energía renovables se debe ciertamente a varias causas. Se atribuye por un lado solamente al lento crecimiento del conocimiento de la energía renovable por falta de educación. Esto necesariamente no significa que es demasiado poco lo que se enseña en las escuelas y demasiado poco es escrito en los periódicos. En cambio, podría ser que la calidad de educación no es tan buena como debería ser.

Aunque se conocen y son notorios los perjuicios que ocasiona el uso de las energías convencionales y aún existiendo tecnologías muy acabadas que permiten la utilización efectiva de las energías, por diversas razones sigue siendo dificultosa la adopción masiva de las mismas por parte de la sociedad.

En líneas generales, se observa en las viejas generaciones una escasa preocupación por las cuestiones ambientales y un interés menor aún en el uso de las energías renovables. Distinta es la situación entre las generaciones más jóvenes quienes responden con mucho entusiasmo a las propuestas de políticas de desarrollo sustentable, la preservación de los recursos naturales y el uso de energías limpias.

En este contexto si bien es necesario trabajar enérgicamente sobre los dirigentes políticos e instituciones influyentes en la sociedad para lograr una mayor propagación de las energías renovables, es tanto  o más importante lograra que la comunidad en general tome conciencia de la importancia de su uso, de los principios elementales de su funcionamiento y conozca sobre las distintas posibilidades que estas energías ofrecen. Se hace necesario entonces, promocionar el uso de las energías limpias en la comunidad proporcionando información sobre las mismas; pero, por sobre todo, poniendo énfasis en la educación de los jóvenes quienes serán los usuarios y dirigentes del futuro.

Por tal motivo durante el año 2005, se han dictado cursos tanto de posgrado para docentes y profesionales, como de especialización para alumnos de las carreras de ingeniería sobre la temática de Radiación Solar

 

Metodología y técnicas

A partir del dispositivo neumático para extracción de agua construido en bronce se procederá a encontrar las curvas características de caudal, potencia, energía, rendimiento, presión, altura, etc. En forma paralela se procederá a efectuar la divulgación de este nuevo sistema y realizar convenios con el medio para su posterior transferencia e implementación.
Se propone efectuar una evaluación de las necesidades de potabilización de aguas salobres en la región, de manera de clasificar y cuantificar la demanda. En una segunda etapa se analizarán los procedimientos convencionales existentes y el costo de la producción. Paralelamente se iniciará un estudio bibliográfico de destiladores solares no convencionales existentes (Tradicional con batea, multiefecto, multietapa, flach) y se seleccionaran un conjunto de estos, en función de los procedimientos que emplean, la factibilidad de aplicarlos y de construirlos.

Se los estudiará con mayor profundidad, se construirán modelos demostrativos en tamaños reducidos. En función de estos resultados, la experiencia adquirida y la factibilidad económica, se formularan propuestas para la solución y para cada tipo de demanda detectada.
Se planificará las construcciones de los módulos demostrativos mencionados en el punto anterior de manera que puedan ser empleados y/o desarrollados con fines de difusión y educativos en el uso racional de la energía y las energías no convencionales.
Se realizarán estudios en referencia a la generación de energía eólica (generadores eólicos) y en forma paralela se realizará la obtención de los recursos eólicos de la zona mediante la estación meteorológica que posee el Laboratorio de Energías Alternativas (LEA). Y con la ayuda experimental de los generadores instalados durante el año 2005. Se estudiará y adaptará el sistema actual de energía eléctrica solar a energía eléctrica eólica. Y se estudiará y desarrollará la electrónica necesaria para la utilización conjunta y combinada de ambos tipos de energía. Se procederá al estudio y análisis del funcionamiento combinado logrando establecer las ventajas y desventajas de cada sistema. Se diseñará el circuito eléctrico para abastecer de energía eléctrica no convencional (solar y eólica) a servicios auxiliares del edificio Campus Universitario (alumbrado de emergencia, luces pasillos, estación meteorológica y PC´s laboratorio – LEA-, centro de computo, servidor de Internet). Se continuará con la obtención de datos Satelitales de Radiación Solar, su comparación y validación con los datos obtenidos en tierra a través del solarímetro que posee el LEA. Se mejorará el controlador de tiempo para la bomba ya desarrollado y construido. Se mantendrá el sistema de servicio de datos meteorológicos y de radiación solar on-line a través de Internet. Se tratará realizar aportar a la comunidad de los conocimientos adquiridos en la temática Energía Solar y Medio Ambiente. Se compartirán recursos y conocimientos con las otras líneas del proyecto.

 

Metodología y técnicas a emplear para obtención de datos, y la demostración de la hipótesis.

A partir del segundo prototipo del dispositivo neumático para extracción de agua construido en bronce, se procederá a encontrar las curvas características de caudal, potencia, energía, rendimiento, presión, altura, etc. Realizando pruebas de extracción reales, a presiones  y profundidades distintas, para comprobar el comportamiento del dispositivo en distintas situaciones de trabajo.

En forma paralela se procederá a efectuar la divulgación de los nuevos resultados y realizar convenios con el medio para su posterior transferencia e implementación.
Se propone efectuar una evaluación de las necesidades de potabilización de aguas salobres en la región, de manera de clasificar y cuantificar la demanda.

En una segunda etapa se analizarán los procedimientos convencionales existentes y el costo de la producción.

 Paralelamente se iniciará un estudio bibliográfico de destiladores solares no convencionales existentes (Tradicional con batea, multiefecto, multietapa, flach) y se seleccionaran un conjunto de estos, en función de los procedimientos que emplean, la factibilidad de aplicarlos y de construirlos.

Se los estudiará con mayor profundidad, se construirán modelos demostrativos en tamaños reducidos. En función de estos resultados, la experiencia adquirida y la factibilidad económica, se formularan propuestas para la solución y para cada tipo de demanda detectada.

Se planificará las construcciones de los módulos demostrativos mencionados en el punto anterior de manera que puedan ser empleados y/o desarrollados con fines de uso de laboratorio, de difusión y educativos en el uso racional de la energía y las energías no convencionales.

Se realizarán estudios en referencia a la generación de energía eólica, realizando ensayos con los aerogeneradores instalados en el Campus Universitario. En forma paralela se realizará la obtención de los recursos eólicos de la zona mediante la estación meteorológica, tanto en el Campus Universitario, como en los alrededores de la ciudad, localizando la central meteorológica en distintos campos de la zona.

Se estudiará y adaptará el sistema actual de energía eléctrica solar a energía eléctrica eólica. Se procederá al estudio y análisis del funcionamiento combinado logrando establecer las ventajas y desventajas de cada sistema.  

Se estudiará, diseñará y desarrollará un sistema electrónico para la utilización óptima de energía, combinando los dos sistemas, solar y eólico.

Se analizará la factibilidad y construcción del circuito eléctrico para abastecer de energía eléctrica no convencional (solar y eólica) a servicios auxiliares del edificio Campus Universitario (alumbrado de emergencia, luces pasillos, centro de computo, servidor de Internet).

Se continuará con la obtención de datos Satelitales de Radiación Solar, su comparación y validación con los datos obtenidos en tierra a través del solarímetro que posee el LEA.

Se estudiará y mejorará el controlador de tiempo para la bomba ya desarrollado y construido. Se mantendrá el sistema de servicio de datos meteorológicos y de radiación solar on-line a través de Internet. Se tratará realizar aportes a la comunidad de los conocimientos adquiridos en la temática Energía Solar y Medio Ambiente. Se compartirán recursos y conocimientos con las otros proyectos.

 

Importancia o impacto esperado del Proyecto

Contribución al avance del conocimiento científico y/o tecnológico.

 

Los resultados que se obtendrán en las pruebas con las distintas alternativas de conexión (serie y paralelo) y las sustanciales mejoras electrónicas (control de tiempo electrónico, sistema integrado energía solar-eólica) que se realizarán con los dispositivo de acuerdo a las expectativas, logrará futuras patentes tecnológicas buscando realizar convenios con el medio para su posterior transferencia e implementación.

Se procurará mejorar las destrezas y habilidades manuales y el trabajo grupal. Se prevee el trazado de un mapa de recursos de energía solar y eólica en los alrededores de la ciudad de Villa Mercedes, con su posterior publicación.

 

Contribución a la formación de RRHH.

 

Dentro de este Proyecto de Investigación se efectuan las siguientes formaciones de RRHH:

- Cinco pasantes alumnos de los años superiores de Ingeniería Electromecánica y Electricista Electrónica.

- Dirección de Trabajos Finales de Grado de alumnos de Ingeniería.

- Realización de cursos específicos en la temática Energía Solar y Medio Ambiente.

 

Contribución al desarrollo socio-económico. Transferencia de resultados.

 

Con respecto al sistema bomba de agua, paneles solares, turbinas eólicas, se prevé la realización de una perforación en terrenos de la FICES  para extraer agua y hacer los ensayos pertinentes, para así brindar nuestros resultados a la población del campo (mercado disperso) a través de la Sociedad Rural, y al Gobierno de la Provincia de San Luis, que comprende un programa de abastecimiento eléctrico de la población rural dispersa en la provincia.

Se mejorarán los actuales sistemas de generación de energía solar y eólica desarrollados y construidos. Se prevé la proyección de los sistemas energéticos a los sistemas de luz de emergencia, centro de cómputos, servidores, etc.

Además, los datos de radiación solar y los datos meteorológicos obtenidos son brindados y se brindarán a toda la comunidad gratuitamente mediante su publicación y actualización on-line a través de la página institucional de la Facultad por Internet.