Resumen

La implementación de energías alternas para la generación de electricidad ha tenido su auge en la última década debido a la escasez de petróleo y otros combustibles fósiles sobre los que está basado el modelo energético, además de las iniciativas mundiales por cuidar el medio ambiente que buscan reducir las emisiones de dióxido de carbono, estimulando con esto las investigaciones para encontrar nuevas maneras de generar energías alternas a pequeña escala sin combustibles fósiles.

La transformación de la energía ha permitido al hombre conquistar la tierra, para transformar su entorno y mejorar su calidad de vida. Como es el uso de agua potable para realizar actividades domésticas e higiene personal, donde se puede aprovechar la presión dinámica del agua potable, suministrada por un tinaco elevando, permitiendo generar energía eléctrica médiante la implementación de un hidrogenerador instalado en la tubería de agua potable  para la obtención de energía eléctrica en una casa habitación.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La implementación de energías alternas para la generación de energía eléctrica en el mundo está teniendo un incremento bastante significativo. Esto se debe a factores como el aumento en el precio de la tarifa de electricidad, combustibles fósiles e iniciativas mundiales por cuidar el medio ambiente. En los últimos cinco años el precio de la tarifa doméstica de energía eléctrica suministrada por la Comisión Federal de Electricidad aumento  un 6.4%.

Antecedentes

López González, et al. (2011) desarrollo una turbina flotante de eje vertical y flujo conducido, cuyo desarrollo ha superado ya las etapas de conceptualización, construcción de modelos y pruebas de funcionamiento iníciales llamado IMPULSA. Probando el diseño geométrico de la carcasa que alberga los rotores en una instalación experimental, utilizando la herramienta computacional PHOENICS® con la que, a su vez, se verificó el funcionamiento óptimo de dicha carcasa.

La empresa extranjera ENERNAVAL AMPAIR (2017) ofrece una solución de turbina hidroeléctrica, con una potencia pico de 100 W en agua dulce o salda y que puede ser sumergida a 10 metros, generando 2,4 kHh al día en corrientes de 400 mm.

Objetivo

Diseñar una tubería generadora de electricidad para casa habitación energía, que ayude a reducir el consumo de electricidad en una casa habitación.

Justificación

En el desarrollo de actividades domésticas e higiene personal, el uso de agua potable puede ser aprovechada para implementar un sistema de generación de energía eléctrica mediante la transformación de la presión dinámica del aguan dentro de una tubería, suministrada por un tinaco elevando. Con la finalidad de incorporar la energía eléctrica al consumo eléctrico de una casa habitación.

A diferencia de otras formas de generación de energía renovable, como la solar o la eólica, la tubería  generadora de electricidad producirá energía en cualquier momento del día, siempre que el agua fluya naturalmente hacia abajo por la gravedad (energía hidráulica tipo potencial) por el uso de actividades en el hogar.

Hipótesis

Mediante una tubería generadora de electricidad se podrá reducir el consumo de energía eléctrica en una casa habitación.

Método (materiales y procedimiento)

El proyecto se realizó en los laboratorios del Tecnológico de Estudios Superiores de Jilotepec, en el periodo comprendido del 14 de Marzo al 22 de Septiembre del presente año. Mediante la consulta en los registros del Organismo Descentralizado de Agua Potable,  Alcantarillado y Saneamiento (ODAPAS), se obtuvo que en la zona centro de Jilotepec,  al inicio del 2017 se tienen 9500 medidores registrados, la cual tienen un consumo promedio de  225 litros al día en una casa habitación, el 91 % de las tomas de agua manejan tuberías media a tres cuartos de pulgada de diámetro y un 98 % maneja tinacos elevados para el suministro de agua en una casa habitación, de los cuales un 58 % ocupan  tinacos con capacidad de 1000 litros y el resto tinacos con capacidad de  500 litros.

El desarrollo del proyecto contemplo las etapas de diseño conceptual, evaluación y  retroalimentación del mismo concluyendo con un diseño a detalle sobre la fabricación de los elementos como;  turbina, generador, inversor, batería, ensamble del prototipo y conexión eléctrica.

Para identificar los comparativos y competencia a nivel nacional  e internacional se ocupó el Benchmarking, consultando páginas de productos similares  a la generación de energía eléctrica en tuberías, trabajos de investigación, revistas científicas, donde se identificaron las necesidades primordiales en la producción de energía eléctrica de una tubería doméstica ocupando el AHP (Analytic Hierarchy Process).

Para encontrar las fortalezas, debilidades, oportunidades y amenazas se realizó una matriz FODA, en que se analiza de manera gráfica la relación fortaleza-oportunidad versus debilidad amenaza.

Considerado los porcentajes ponderados, necesidades primarias y parámetros de diseño, se utilizó la herramienta QFD (Despliegue de la Función de la Calidad por sus siglas en ingles), donde se especifica el desempeño, capacidad, calidad, conveniencia, apariencia y mantenimiento, de la tubería generadora de energía eléctrica, presentando los datos recabados en forma gráfica a través de análisis de Pareto y análisis de brecha.

Mediante la investigación descriptiva se diseñó el diagrama de procesos, flujo de proceso y diagrama eléctrico, con el fin de establecer las bases para el diseño y elementos del sistema. Considerando la aplicación del marco regulatorio para la definición y delimitación de la tubería  generadora de electricidad, que le permita ser un producto certificado ante la NOM-001-SEDE.

Posteriormente a la investigación se empezó a diseñar  la tubería generada de energía eléctrica en el software de Auto CAD® para el desarrollo de planos,  SolidWorks ® para simulación del sistema y Multisim® para simular la parte eléctrica.

Se ocupan las HAPP para identificar peligros y puntos críticos de control  del sistema considerando que el agua es un conductor directo de la electricidad, y este requiere un sistema aterrizamiento.

En el análisis de costos del prototipo se considera, usar materiales comerciales para reducir los costos de fabricación, considerando las principales necesidades del cliente y diseño establecidos en la   QFD y el diseño en software CAD.

Fabricación de los siguientes apartados:

La turbina en esta primera etapa se consideró ocupar una de uso comercial, a la que se realizaron adaptaciones para su instalación, la carcasa se fabricó en el laboratorio de procesos de  manufactura del departamento de Ingeniería Mecatrónica de la institución, donde se realizó  el procedimiento de soldadura, montaje y ensamble de todos los componentes estructurales secundario.

Después de finalizar la gestión de selección y compra de todos los componentes secundarios y de la fabricación de todas las partes se procedió al ensamble del hidrogenerador en la salida de un tinaco de 1100 litros de capacidad, instalado en la azotea de una casa de un primer piso. Con la finalidad de obtener la funcionalidad del prototipo.

Posteriormente se realizaron pruebas, para optimizar la generación de energía eléctrica, detectar y minimizar fallas en el sistema. Con la finalidad de cumplir la meta de ingeniería y garantizar el funcionamiento del sistema.

Galería Método

Resultados

Al finalizar el proyecto y después de realizar la investigación de Benchmarking a nivel nacional no se cuenta con ningún Hidrogenerador con rodete tipo turgo para la obtención de energía eléctrica en una casa habitación, mientras que a nivel internacional se encuentran 3 registros con la misma finalidad pero con distinto sistema operativo y de diseño.

La figura 1 muestra la ventaja competitiva a nivel nacional que tiene la tubería generadora de electricidad, en comparación con el registro de la microturbina TRDG DEL grupo VERNER ® identificada como organización dos y la microturbina hidráulica de la empresa Flat Tower ® como organización 3, las cuales al ser de fabricación extranjera sus costos de importación por el equipo y suministros para la instalación tienen un costo promedio de 600 euros y en ambos casos implementadas a la red principal de agua potable.

Para identificar las necesidades primarias del cliente y los parámetros de diseño se ocupó la herramienta QFD por sus siglas en inglés Quality Function Deploiment  donde se especificó las necesidades primarias; diseño, seguridad y costo.

Enseguida se enlistan las necesidades primordiales para los habitantes de la zona céntrica de Jilotepec.

Necesidades del cliente:

1.- No afectar el flujo de agua

2.- Producción de electricidad

3.- Tubería comercial

4.- Autonomía

5.- Que no contamine el agua

6.- Precio

7.- Fácil instalación

8.- Tamaño reducido

9.- Fácil mantenimiento

10.- Seguridad de operación

Estas necesidades primarias son cubiertas con las expectativas de diseño:

1.- Salida al tinaco elevado

2.- Hidrogenerador con rodete tipo turgo

3.- Tubería de 1”~3/4”

4.- Activación por el flujo de agua

5.- Materiales/no corrosivos al contacto con el agua

6.- Materiales comerciales

7.- Instructivo de instalación

8.- Dimensiones

9.- Planos de despiece

10.- Protección a tierra

Como resultado de la carta QFD se determinó que el prototipo debe ser diseñado de acuerdo a los parámetros de diseño que cumplan con las necesidades del cliente.

Con respecto al análisis de Pareto de las necesidades del cliente (Figura 2) se observó que las condiciones de producción de electricidad, flujo de agua, no contaminante y el precio son las más importantes para el cliente, sin importarle el fácil mantenimiento y el tamaño reducido.

Mientras que en el Pareto de parámetros de diseño (Grafico3) se le da más importancia al hidrogenerador y a sus dimensiones, teniendo menos importancia que contenga un instructivo y la puesta a tierra. Teniendo como propósito buscar el equilibrio entre las necesidades del cliente y  el diseño.

En cuestión del diseño que se  propone según el análisis de brecha (Figura 4), se puede mejorar un 12.6% en la condición de no contaminante con una dificultad de 2.4% y la  condición de tubería comercial de 8% con 2.0 % de dificultad, siendo estas las condiciones más importantes.

De acuerdo a la investigación documental de las formas de producción de energía eléctrica, mediante sistemas hidráulicos y como se puede incrementar el voltaje se diseñó el diagrama de flujo, como se muestra en figura 5.

El diagrama de flujo contempla los siguientes elementos:

Tinaco elevado: Capacidad de almacenamiento de 500 litros a 1000 litros colocado en la azotea de una casa habitación sin importar el tipo de material, con un de nivel de piso mayor a dos metros (NP+2).

Hidrogenerador; aplicación del proyecto de investigación, diseñado en materiales comerciales y con características anticorrosivas.

Regulador de carga: al no estar en constante presión dinámica y funcionamiento, se requiere un circuito que mitigue los picos de corriente o caídas de tensión.

Batería de 12 V: Permite al sistema acumular  la corriente producida por los ciclos de uso del agua potable.

Inversor: Tiene la función de cambiar el voltaje de entrada de corriente continua  a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna.

Circuito alterno: Debido a que la energía eléctrica, busca los caminos de menor oposición a la energización, la producción de electricidad no se puede suministrar directa al sistema, requiriendo un cableado alterno para el encendido de los focos.

Sistema de tierras: De acuerdo a la Norma oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012 “Instalaciones eléctricas”, se requiere de forma obligatoria la puesta a tierra de cualquier sistema eléctrico.

Focos ahorradores: Son las bombillas comerciales.

En la figura 6 se muestra el proceso de la instalación, donde la tubería generadora de electricidad, se conecta a la red principal del suministro de agua, para aprovechar la presión dinámica generada por la altura.

Mediante una memoria de cálculo realizada en el programa de Excel ®, se calcularon los parámetros de diseño como son:

• Capacidad del tinaco (litros)
• Diámetro externo del tinaco (metros)
• Altura del tinaco (metros)
• Altura de pedestal (metros)
• Altura bruta (metros)
• Material del tinaco
• Altura de construcción (metros)
• Distancia horizontal de con respecto al tinaco (metros)
• Gravedad (metros /segundo cuadrado)
• Peso del agua (kilogramo/ metro cubico)
• Caudal de diseño (metro cubico/ segundo)
• Longitud de la tubería de presión (metros)
• Temperatura (centígrados)
• Viscosidad cinemática (metro cuadrado/segundo)

La memoria de cálculo para fines de diseño se tiene en ejecutable, y en PDF, permitiendo obtener los datos para el diseño CAD.

El software CAD ocupado es   SolidWorks ®,  permitiendo realizar planos de despiece como se muestra en la figura 6, además de análisis de esfuerzos y animación.

1.- Cubierta inferior donde se alojara la turbina.Figura 7   Diseño del hidrogenerador en software CAD

2.- Base del soporte para la sujeción de la turbina.

3.- Tornillos para el acople de las piezas

4.- Cubierta superior del hidrogenerador

Galería Resultados

Discusión

Se determinó que el prototipo debe ser diseñado de acuerdo a los parámetros de diseño que cumplan con las necesidades del cliente teniendo  como el hidrogenerador primordial ya que de ella depende el aprovechamiento de la presión dinámica generada por un tinaco elevado.

Conclusiones

Durante el proyecto, se llevó a cabo una investigación sobre el esquema de las necesidades primarias acerca del consumo diario de agua potable de los habitantes de la zona céntrica de Jilotepec, plasmadas en la carta QFD donde de igual manera se proyectaron los parámetros de diseño para la tubería generadora de electricidad  en la obtención de energía en una casa habitación, como la simulación y fabricación  de la tubería cumpliendo con el objetivo al 100%, ya que se diseñó una  tubería generadora de electricidad. Produciendo un voltaje de 10 V en CA, con una corriente de 0.1 A, permitiendo encender dos focos con equivalencia menores de 10 watts, en el momento en que se hace uso del agua portable.

Bibliografía

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Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography