ESTUDIO TÉCNICO DE LA INCORPORACIÓN DE MICRO

ESTUDIO TÉCNICO DE LA INCORPORACIÓN DE MICRO-HIDROGENERADORES EN LAS

SALIDAS HIDRÁULICAS DE AGUA POTABLE DE UNA UNIDAD DE VIVIENDA DE ESTRATO

DOS DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C.

SINDI NATALY FAJARDO OSMA

MICHAEL ALEXANDER JARA LÓPEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C.

2018

ESTUDIO TÉCNICO DE LA INCORPORACIÓN DE MICRO-HIDROGENERADORES EN LAS

SALIDAS HIDRÁULICAS DE AGUA POTABLE DE UNA UNIDAD DE VIVIENDA DE ESTRATO

DOS DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C.

SINDI NATALY FAJARDO OSMA

MICHAEL ALEXANDER JARA LÓPEZ

Trabajo de grado para optar al título de:

Ingeniera(o) eléctrica(o)

DIRECTOR

Ing. LUIS ANTONIO NOGUERA VEGA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERÍA ELÉCTRICA

BOGOTÁ D.C.

2018

Bogotá D.C. junio de 2018

NOTA DE ACEPTACIÓN

El proyecto de grado de Ingeniería eléctrica titulado:

“ESTUDIO TÉCNICO DE LA INCORPORACIÓN DE MICRO-

HIDROGENERADORES EN LAS SALIDAS HIDRÁULICAS DE

AGUA POTABLE DE UNA UNIDAD DE VIVIENDA DE ESTRATO

DOS DE LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C.”

Ha sido aprobado por cumplir con los requerimientos exigidos por la

Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Nombre

JURADO 1

Nombre

JURADO 2

Ing. Luis Antonio Noguera Vega

DIRECTOR DE PROYECTO

DEDICATORIA

A nuestros padres que han sido un apoyo inmenso en cada etapa de nuestras vidas, nos han recalcado

valores importantes en la vida y nos han formado como profesionales sin importar las condiciones.

AGRADECIMIENTOS

A Dios por permitirnos enfocar todos nuestros conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera

A nuestros padres por toda la colaboración, el esfuerzo y el apoyo incondicional que nos han brindado

en el día a día para lograr la culminación del proyecto.

Al Ing. Luis Noguera por servirnos como tutor y ayudarnos en el desarrollo de esta tesis.

A nuestros docentes, amigos y compañeros que nos brindaron su tiempo, dedicación y compartieron

sus conocimientos para que pudiéramos formarnos como aprendices en el desarrollo del proyecto.

CONTENIDO

RESUMEN .........................................................................................................................................12

INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................13

OBJETIVOS .......................................................................................................................................14

1 MARCO TEÓRICO ......................................................................................................................15

1.1 DEFINICIONES BÁSICAS ....................................................................................................15

1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS ...................................................................................15

1.2.1 Microturbinas ..................................................................................................................15

1.2.2 Picoturbinas: ...................................................................................................................16

1.2.3 Micro turbina Pelton. ........................................................................................................16

1.2.4 Mini turbina Francis .........................................................................................................16

1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES ELÉCTRICOS .....................................................17

1.4 APLICACIÓN ANDROID, VIRTUINO .....................................................................................18

1.5 ARDUINO ...........................................................................................................................18

2 METODOLOGÍA Y ASPECTOS PRELIMINARES DE DISEÑO ........................................................19

2.1 METODOLOGÍA .................................................................................................................19

2.2 ASPECTOS PRELIMINARES ...............................................................................................20

2.2.1 Características de unidades de vivienda ............................................................................20

2.2.2 Análisis de mercado.........................................................................................................20

2.2.3 Características de uso de cada salida hidráulica .................................................................22

3 MEDICIÓN DE CAUDAL DE CADA SALIDA HIDRÁULICA DE LA VIVIENDA ....................................24

3.1 DISEÑO SISTEMA DE MEDICIÓN DE CAUDAL ....................................................................24

3.1.1 Componentes .................................................................................................................24

3.1.2 Calibración .....................................................................................................................25

3.2 MEDICIÓN DE CAUDAL SEGÚN APERTURA DE LAS VÁLVULAS .........................................27

3.3 MEDICIÓN DE CAUDAL SEGÚN USO REAL DE LAS SALIDAS HIDRÁULICAS .......................29

4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO ............................................................................35

4.1 DISEÑO .............................................................................................................................35

4.1.1 Componentes .................................................................................................................35

4.1.2 Esquemas ......................................................................................................................37

4.2 DISEÑO Y CONFIGURACIÓN DE LA APLICACIÓN ANDROID ...............................................40

4.2.1 Requerimientos ...............................................................................................................41

4.2.2 Aplicación Android ...........................................................................................................41

4.2.3 Programación del sistema de control y del aplicativo Android ...............................................44

4.3 CONSTRUCCIÓN ...............................................................................................................48

4.4 PRUEBAS A MICRO-HIDROGENERADORES .......................................................................51

5 FACTIBILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN ........................................................................................56

5.1 ASPECTOS DE INSTALACIÓN ............................................................................................56

5.2 COMPORTAMIENTO DE LOS MICRO-HIDROGENERADORES EN FUNCIÓN DE LAS SALIDAS

HIDRÁULICAS ................................................................................................................................57

5.2.1 Tensión generada según caudal y tipo de salida .................................................................58

5.2.2 Potencia obtenida según caudal por tipo de salida ..............................................................62

5.2.3 Comportamiento de la capacidad de generación de energía eléctrica por salida .....................64

6 CONCLUSIONES........................................................................................................................67

7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................................................................69

8 ANEXOS ....................................................................................................................................71

LISTA DE TABLAS:

Tabla 1 Usuarios y tarifas por estratos de la ciudad de Bogotá ...................................................................... 20

Tabla 2 Micro-hidrogeneradores y mini-hidrogeneradores presentes en el mercado ...................................... 22

Tabla 3 Elementos usados para la medida de caudal .................................................................................... 25

Tabla 4 Densidad del agua líquida ................................................................................................................ 25

Tabla 5 Datos de la prueba de calibración de caudal de cada salida hidráulica ............................................. 27

Tabla 6 Prueba de medición de caudal por cada salida hidráulica de la vivienda 1 ........................................ 28

Tabla 7 Prueba de medición de caudal por cada salida hidráulica de la vivienda 2 ........................................ 29

Tabla 8 Aspectos técnicos de los micro-hidrogeneradores ............................................................................ 35

Tabla 9 Tabla de componentes del prototipo ................................................................................................. 37

Tabla 10 Tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador trifásico con

regulador ...................................................................................................................................................... 51

Tabla 11 Tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador trifásico sin

regulador ...................................................................................................................................................... 52

Tabla 12 Tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador DC ..................... 53

Tabla 13 Aspectos de instalación .................................................................................................................. 57

Tabla 14 Tiempo de carga requerido según número de habitantes y tendencias de uso para cada vivienda .. 66

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Clasificación de generadores eléctricos ........................................................................................... 17

Figura 2 Placa Arduino Mega ........................................................................................................................ 18

Figura 3 Metodología para el desarrollo del sistema ...................................................................................... 19

Figura 4 Tendencia de uso en número de veces que se usa cada salida hidráulica ....................................... 22

Figura 5 Tendencias de uso de cada salida hidráulica ................................................................................... 23

Figura 6 Toma de datos de caudal de cada salida hidráulica, por el método manual ..................................... 26

Figura 7 Conexión de medidor de caudal a la ducha de la vivienda 1 y 2....................................................... 30

Figura 8 Tiempo de uso vs caudal de la ducha para vivienda 1 y 2 ................................................................ 30

Figura 9 Conexión de medidor de caudal a la salida de lavamanos de la vivienda 1 y 2 ................................ 31

Figura 10 Tiempo de uso y de caudal vs tiempo del lavamanos para la vivienda 1 y 2 ................................... 31

Figura 11 Conexión de medidor de caudal a la salida de lavaplatos de la vivienda 1 y 2 ................................ 32

Figura 12 Caudal vs tiempo del lavaplatos para la vivienda 1 y 2 .................................................................. 32

Figura 13 Conexión de medidor de caudal a la salida de sanitario de la vivienda 1 y 2 .................................. 33

Figura 14 Tiempo de uso vs caudal del sanitario para la vivienda 1 y 2 ......................................................... 33

Figura 15 Conexión de medidor de caudal, en la lavadora de la vivienda 1 y 2 .............................................. 34

Figura 16 Tiempo de uso vs Caudal de la lavadora para la vivienda 1 y 2 ..................................................... 34

Figura 17 Micro-hidrogenerador de conexión directa F50-80V y de conexión de tipo de acople magnético .... 36

Figura 18 Diseño de prototipo para simular el caudal y tiempo de usos de cada salida hidráulica .................. 38

Figura 19 Diseño de la red hidráulica del sistema de pruebas ....................................................................... 38

Figura 20 Diseño del sistema de control y comunicación del prototipo ........................................................... 39

Figura 21 Sistema de acople para medidor de caudal y micro-hidrogenerador .............................................. 39

Figura 22 Prototipo de pruebas, sistema hidráulico, control, almacenamiento ................................................ 40

Figura 23 Plataforma Virtuino, descarga........................................................................................................ 41

Figura 24 Opciones de la plataforma Virtuino ................................................................................................ 42

Figura 25 Menú de configuración de cada uno de los dispositivos de visualización ....................................... 42

Figura 26 Esquema de conexión de canal de comunicación Bluetooh HC-05 ................................................ 43

Figura 27 Librerías del programa de control del prototipo de pruebas ............................................................ 44

Figura 28 Variables del programa de control del prototipo de pruebas ........................................................... 45

Figura 29 Líneas para transmisión de datos de la aplicación y el prototipo de pruebas .................................. 45

Figura 30 Visualización de variables del prototipo en la aplicación Virtuino .................................................... 46

Figura 31 Ventana de visualización de variables para cada micro-hidrogenerador ......................................... 47

Figura 32 Ventana de control de la motobomba encendido ON-OFF y variador de velocidad ........................ 47

Figura 33 Gestión de almacenamiento de datos del prototipo ........................................................................ 48

Figura 34 Construcción del sistema de control y comunicación del prototipo ................................................. 49

Figura 35 Construcción de la red hidráulica del prototipo de pruebas ............................................................ 50

Figura 36 Sistema para intercambio de micro-hidrogeneradores ................................................................... 50

Figura 37 Medidor de caudal y micro-hidrogenerador .................................................................................... 51

Figura 38 Comportamiento de la tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-

hidrogenerador trifásico con regulador .......................................................................................................... 52


hidrogenerador trifásico sin regulador ........................................................................................................... 53


hidrogenerador DC ....................................................................................................................................... 54

Figura 41 Potencia máxima versus Caudal ................................................................................................... 55

Figura 42 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico con regulador, vivienda 1 ..................................... 58

Figura 43 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico con regulador, vivienda 2 ..................................... 59

Figura 44 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico sin regulador vivienda 1 ....................................... 60

Figura 45 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico sin regulador vivienda 2 ....................................... 60

Figura 46 Tensión en vacío vs Caudal generador DC, vivienda 1 .................................................................. 61

Figura 47 Tensión en vacío vs Caudal generador DC, vivienda 2 .................................................................. 62

Figura 48 Potencia máxima versus Caudal promedio en vivienda 1 ............................................................... 63

Figura 49 Potencia máxima versus Caudal promedio en vivienda 2 ............................................................... 63

Figura 50 Energía aportada por las salidas en Wh para un periodo de una semana en la vivienda 1. ............ 64

Figura 51 Energía aportada por las salidas en Wh para un periodo de una semana en la vivienda 2. ............ 65

LISTA DE ANEXOS

Anexo 1 Configuración de conexión Bluetooth entre el prototipo y el aplicativo .............................................. 71

Anexo 2 Menú de configuración de variables y procesos ............................................................................... 72

Anexo 3 Configuración de programa ............................................................................................................. 73

12

RESUMEN

Descripción:

El proyecto se enfoca en aprovechar el caudal de la red de agua potable de una vivienda, usando en

flujo de agua que circula por las tuberías se puede generar electricidad, usando un dispositivo especial

que se puede acoplar a la red de puede alimentar una pequeña carga y de esta forma poder

aprovechar este recurso. Este proyecto tiene como objetivo comprobar la viabilidad técnica de la

instalación de este dispositivo y poder comprobar la capacidad de energía generada. Con los

resultados del mismo puede servir como base para la investigación y proyección del mismo hacia

instalaciones comerciales o industriales.

Metodología:

Para comprobar la factibilidad técnica de la instalación de estos micro-hidrogeneradores en las salidas

de agua potable, es necesario una serie de pasos, que comprenden desde la investigación de cada

turbina en sus características técnicas y eléctricas, que busca conocer cada equipo y su disponibilidad

en el mercado nacional. Se adquieren varios de estos dispositivos, con el fin de comparar los

resultados.

Para probar cada equipo se construye un prototipo que permite simular las salidas de agua de la

vivienda, este prototipo permite variar el caudal presente en cada salida hidráulica sin desperdiciar

agua, se puede ver el comportamiento de la red hidráulica de la vivienda, se realizaron los diseños

tanto eléctrico como mecánicos del prototipo y su construcción.

Para probar cada salida hidráulica de la vivienda, se tomó registro del uso en dos viviendas con

diferente número de habitantes, este registro es la base para hacer pruebas de cada micro-

hidrognerador, en cada prueba se obtiene las variables más importantes que son tensión, caudal,

potencia y energía generada por cada dispositivo.

Resultados:

Con los resultados obtenidos en las pruebas se realizó el estudio con el que se muestra el resultado

del estudio de factibilidad técnica de la instalación de este tipo de equipos en una vivienda de estrato

dos de la ciudad de Bogotá, las muestras se presentan en gráficas independientes para que sea más

fácil interpretar los datos y se pueda evidenciar de manera objetiva las diferencias entre cada micro-

hidrogenerador.

13

INTRODUCCIÓN

El calentamiento global es un problema que aqueja a la población mundial en general, situación tal

que ha venido siendo indiferente para muchos, pero de gran importancia para otros, desde la

perspectiva de eficiencia energética existen prácticas que contribuyen al uso eficiente de la energía y

a nuevas formas de generación de electricidad más amigables con el medio ambiente; por otro lado

es claro que con el avance de la tecnología la electricidad juega un papel fundamental para el

desarrollo de la población, pero es necesario tener presente que debe existir un equilibrio entre medio

ambiente y desarrollo.

De allí nace la idea de estudiar el comportamiento en términos de caudal, de las salidas hidráulicas

de una vivienda, con el fin de aprovechar este servicio que está prácticamente disponible en cualquier

tipo de vivienda y que podría ser una nueva forma de generar electricidad de manera eficiente y

contribuyendo con el medio ambiente.

Existen varios aspectos técnicos de interés, a la hora de realizar un prototipo que permita estudiar la

factibilidad de incorporar micro-hidrogeneradores en las salidas hidráulicas de una vivienda, estos

requerimientos son evaluados por medio de un análisis técnico a los dispositivos disponibles en el

mercado, además de las condiciones previas que exigen las diferentes salidas hidráulicas de interés.

Este estudio requiere de un análisis de ingeniería en temas eléctricos que ayuden a determinar la

factibilidad técnica del uso de micro-hidrogeneradores para la implementación, además de algunos

diagramas eléctricos previos a la construcción del prototipo, que permitan consolidar la información

técnica.

El presente documento está dividido en cinco secciones, el primer capítulo contiene algunas

definiciones necesarias para la contextualización del proyecto, en el segundo capítulo se presenta la

metodología utilizada para la ejecución y desarrollo del mismo, esta se encuentra dividida en cuatro

fases para alcanzar los objetivos propuestos a lo largo del proyecto, en el capítulo tres se encuentran

las mediciones de caudal, realizadas en cada una de las viviendas y los tiempos de uso de cada uno

de los habitantes, en el capítulo cuatro se dan a conocer los requerimientos técnicos y criterios de

diseño y construcción del prototipo, en el capítulo cinco se encuentra los aspectos de instalación, el

comportamiento de las salidas hidráulicas de cada vivienda y un análisis cuantitativo de la energía

generada con el sistema. Finalmente, el capítulo seis integra las conclusiones del proyecto y la

viabilidad del mismo

14

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

• Desarrollar un estudio técnico que permita analizar la factibilidad de incorporar

microgeneradores en las salidas hidráulicas de agua potable de una unidad de vivienda de

estrato dos de la ciudad de Bogotá D.C.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Analizar el mercado nacional en cuanto a la disposición de equipos de microgeneración de

electricidad compatibles con las salidas hidráulicas de una unidad de vivienda, seleccionando

dos de ellos para determinar las características técnicas de los dispositivos adquiridos.

• Seleccionar dos unidades de vivienda y caracterizar el comportamiento de las salidas

hidráulicas por medio de un prototipo que incorpore los micro-hidrogeneradores y una

aplicación Android que facilite el análisis del comportamiento de las salidas hidráulicas de

agua potable de una unidad de vivienda.

• Evaluar técnicamente la factibilidad de implementación de un sistema de microgeneración de

electricidad en las salidas hidráulicas de una unidad de vivienda.

15

1 MARCO TEÓRICO

1.1 DEFINICIONES BÁSICAS

• Energía cinética: aquella que poseerá cualquier cuerpo como consecuencia de su movimiento (Atlas, 2015).

• Energía eléctrica: es una fuente de energía renovable que se obtiene mediante el movimiento de cargas eléctricas (electrones positivos y negativos) que se produce en el interior de materiales conductores (por ejemplo, cables metálicos de cobre) (Atlas, 2015).

• Energía hidráulica: energía obtenida de las corrientes de agua (Atlas, 2015).

• Caudal: volumen de agua que pasa por una sección dada en una determinada unidad de tiempo. Las expresiones más usadas son litros por segundo, litros por minuto, metros cúbicos por hora, metros cúbicos por día. (EPM).

• Salidas hidráulicas:

La salida hidráulica se define como el punto de alimentación de agua para cada artefacto dentro de una edificación que requiera su conexión a esta, este punto es una salida ya sea en tubería PVC o canalización por acoples, y se define para artefactos como tanques, sanitario, ducha, lavamanos, lavaplatos, lavadora, cuartos de aseo, zonas comunes, sistemas de riego, etc. (Construdata, 2016)

1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS

La turbina es un elemento esencial de un hidrogenerador ya que este permite convertir la energía cinética del agua en energía mecánica que puede ser aprovechada por el generador para producir electricidad a partir de este movimiento, las turbinas tiene una clasificación la cual es: turbinas de acción, de reacción y la última de acuerdo a la dirección del flujo, estas misma turbinas tiene una clasificación según a la capacidad de generación de cada una, esta clasificación se describe a continuación.

1.2.1 Microturbinas

Con potencias inferiores a 100 kW, son muy adecuadas para suministrar electricidad a pequeñas granjas o explotaciones agrícolas. Para su funcionamiento necesitan una altura de 5 a 30 m.c.a. y un caudal que varía en función de la potencia a generar de 35 a 500 l/s. (Traxco, 2010)

16

1.2.2 Picoturbinas:

Constructivamente iguales que las microturbinas sólo que con menor potencia, permiten utilizar la energía hidráulica de torrentes, canales o conducciones y suministrar electricidad a aplicaciones autónomas de pequeña potencia, inferiores a 5.000 W. Esta potencia permite electrificar una cabaña o granja, generando los vatios necesarios para iluminación, automatismos, pequeños motores o electrodomésticos, etc. Pueden funcionar con muy poca altura o con muy poco caudal. La altura mínima que necesitan para generar electricidad es de 1,5 m.c.a. y el caudal varía de 35 a 130 l/s. Si se dispone de más altura, de 3 a 15 m.c.a. el caudal necesario disminuye a 5 l/s.

Tanto las picoturbinas como las microturbinas, pueden generar corriente alterna a 220 V o corriente continua a 12 o 24 V. Este hecho es muy atractivo ya que pueden integrarse a un sistema híbrido autónomo, con paneles solares, aerogeneradores, diésel … y utilizar los mismos acumuladores de corriente continua.

También permiten trabajar, si el caudal de agua es siempre constante, como generadores a 220 V. ininterrumpidamente, prescindiendo de acumuladores y consumiendo la energía eléctrica que se está produciendo en el mismo momento. (Traxco, 2010)

1.2.3 Micro turbina Pelton.

De fácil y sólida construcción, puede ser de eje horizontal o vertical, ocupa poco espacio y tiene un rendimiento óptimo, funciona a la presión atmosférica y no genera problemas de estanqueidad. Tiene palas de doble cuchara, con un número de chorros hasta 6. Las principales partes mecánicas están hechas de acero inoxidable y son las más adecuadas para aprovechar el potencial de caudales reducidos. (Traxco, 2010)

1.2.4 Mini turbina Francis

Es una turbina de reacción, con potencia aproximada de 100 kW de máximo aprovechamiento y mínimo costo de mantenimiento, ideal para espacios con limitaciones, el concepto constructivo es muy parecido al de las turbinas para centrales más grandes.

Los sistemas micro hidráulicos encuentran su aplicación allá donde haya un suministro de energía que satisfacer y esté disponible un curso de agua, aunque limitado. Cuando hacen falta sólo algunos kW para las necesidades mínimas de una granja, se puede insertar directamente en el cauce de un pequeño curso de agua una turbina y un alternador estancos, con el cable de la energía eléctrica que llega directamente a la explotación.

Para determinar la viabilidad del proyecto hay que seguir los siguientes pasos: elección del lugar, estudio de los parámetros útiles, análisis de las licencias necesarias, estudio de viabilidad de la mini central y verificación de los costes, elección del proyectista y del constructor, gestión y mantenimiento de la instalación.

17

Según las características estimadas de altura y caudal, se selecciona la tipología de turbina y el tamaño más adecuado, teniendo en cuenta que la turbina tiene que dimensionarse en base no sólo al caudal medio del año sino también al caudal de pico de los periodos con mayor disponibilidad de agua.

También existe un dispositivo especial para generar electricidad con la presión hidráulica que no necesita el Pívot; electricidad suficiente para mover los motores y alimentar el panel de control. (Traxco, 2010)

1.3 CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES ELÉCTRICOS

Un generador eléctrico convierte energía mecánica en energía eléctrica. Los generadores se catalogan en corriente continua y en corriente alterna, el mapa conceptual de la Figura 1 muestra su clasificación, para el caso del proyecto los generadores más comunes son los de corriente continua, ya que están pensado para alimentar pequeñas cargas, que por lo general son alimentados con este tipo de corriente.

Figura 1 Clasificación de generadores eléctricos

Fuente: (Viatger, 2010)

18

1.4 APLICACIÓN ANDROID, VIRTUINO

La aplicación Virtuino es un programa diseñado para ser ejecutado en una plataforma que puede estar instalada en un teléfono inteligente, una tableta, un PC o dispositivos móviles. Las aplicaciones permiten al usuario efectuar un conjunto de tareas de cualquier tipo en el ámbito profesional o educativo permitiendo la gestión de actividades a desarrollar.

Por lo general, se encuentran disponibles a través de plataformas de distribución, operadas por las compañías propietarias de los sistemas operativos móviles como Android, iOS, Windows Phone, entre otros. Para este caso se desarrolla una aplicación que permite visualizar y tomar los datos de la instalación del micro-hidrogenerador.

.

1.5 ARDUINO

Arduino es una plataforma de hardware abierto que permite realizar programación de sus diferentes

componentes, está basada en una placa que posee un microcontrolador y un entorno de desarrollo

que facilita su programación por medio de líneas de comandos, diseñada para facilitar el uso de la

electrónica en proyectos de diferentes áreas.

Arduino se puede utilizar para desarrollar elementos autónomos, conectándose a dispositivos e

interactuar tanto con el hardware como con el software. Para el proyecto funciona como una

herramienta para visualizar y controlar las variables de caudal, tensión, corriente y control ON-OFF de

motobomba. (Arduino, 2016). La Figura 2 muestra el Arduino utilizado para el proyecto

Figura 2 Placa Arduino Mega

Fuente (Arduino, 2016)

19

2 METODOLOGÍA Y ASPECTOS PRELIMINARES DE DISEÑO

Este capítulo incluye la información sistemática y los aspectos introductorios concernientes al

desarrollo del proyecto.

2.1 METODOLOGÍA

En la Figura 3 se realiza una descripción de la metodología la cual se desarrolla en cuatro fases, la

primera fase relaciona la información documental y de mercado, la segunda fase corresponde a la

obtención de las variables requeridas, la tercera fase incluye la construcción del prototipo y finalmente

en la cuarta fase se encuentra el análisis de factibilidad de la instalación del sistema.

Figura 3 Metodología para el desarrollo del sistema

Fuente: Elaboración propia

FASE 1

• Consultar diferentes fuentes y posibles distribuidores de micro-hidrogeneradores que se encuentren en elmercado nacional.

• Clasificar los micro-hidrogeneradores disponibles en el mercado.

• Analizar la compatibilidad de los micro-hidrogeradores del mercado con las tuberías de agua potable de launidad de vivienda.

FASE 2

• Establecer los niveles de caudal de cada una de las salidas hidráulicas de cada unidad de vivienda

• Obtener los registros de uso de cada salida de agua potable de cada vivienda, en un periodo de tiempodeterminado

• Definir un valor promedio de caudal de cada uno de los elementos de salida de la red de agua potable (ducha,lavamanos, sanitario, lavaplatos, lavadora)

FASE 3

• Construir un prototipo que permita la conexión de los microgeneradores seleccionados y permita realizar lasvariaciones de caudal establecidas en las salidas hidráulicas de las viviendas

• Instalar la aplicación en diferentes dispositivos con plataforma Android, con el fin de controlar el prototipo yanalizar los valores obtenidos por medio de gráficas de tensión, corriente y potencia de cada uno de los micro-hidrogeneradores.

• Instalar un prototipo por un periodo de tiempo que permita recopilar los datos de las múltiples variablescontempladas en la aplicación de Android y con ellas establecer el valor de potencial de generación de la unidadde vivienda y la eficiencia del sistema

FASE 4

• Analizar la factibilidad técnica de la instalación de un micro-hidrogenerador en cada salida hidráulica de lavivienda

• Determinar las ventajas y desventajas técnicas de la instalación de un micro-hidrogenerador en la red hidráulicade las viviendas en la ciudad de Bogotá

20

2.2 ASPECTOS PRELIMINARES

Como referencia para realizar el proyecto, se establecieron unos aspectos preliminares que

permitieron desarrollar el proyecto en concordancia con los objetivos.

2.2.1 Características de unidades de vivienda

La selección de una vivienda de estrato dos en la ciudad de Bogotá se realizó debido al número de

usuarios determinados por la empresa de acueducto de la ciudad, en la Tabla 1 se encuentra descritas

la cantidad de usuarios y tarifas de cada estrato socioeconómico, en el que se puede observar el

estrato dos con un gran porcentaje de usuarios y mayor tarifa que el estrato 1.

Usuarios y tarifas por estratos de la ciudad de Bogotá

Estrato Usuarios

Tarifas

Básico Complemento Suntuario

1 46994 $469,52 $1.565,08 $1.565,08

2 229796 $939,05 $1.565,08 $1.565,08

3 277091 $1.345,00 $1.565,08 $1.565,08

4 140789 $1.565,00 $1.565,08 $1.565,08

5 50819 $2.410,22 $2.410,22 $2.410,22

6 41667 $2.566,73 $2.566,73 $2.566,73

Tabla 1 Usuarios y tarifas por estratos de la ciudad de Bogotá

Fuente: (Acueducto, 2016)

2.2.2 Análisis de mercado

En la Tabla 2 se relacionan los micro-hidrogeneradores presentes en el mercado nacional y su

disponibilidad de acuerdo con los requerimientos de instalación de las unidades de vivienda

seleccionadas. De estos se selecciona los que están disponibles en el mercado nacional y que tienen

menor costos, siendo seleccionados el del ítem 1 y 4 de la Tabla 2.

21

Micro-hidrogeneradores presentes en el mercado

Ítem Micro-

hidrogenerador Ilustración Características

Disponibilidad a nivel

nacional Precio

1

Bqlzr Portable Micro-hydro Generator Cargador De Agua

(Mercadolibre, 2018)

Presión de trabajo: 0 a 1.75 Mpa

Flujo máximo: 30l /min

Presión de prueba: 1, 2 MPa

Rango de temperatura: 0 a 120 grados

Celsius

Rango de flujo: 1.5-20L /min (presione

0.05-0.2MPa)

Material de la funda: nylon

SI $ 105.000

2 Hidroeléctrico 3.6V

(Silicio, 2016)

Presión de trabajo: <2KGF

Flujo máximo: (3,0 L / min)

Voltaje de salida: 3.6V

Pico de corriente: 1.4A

Capacidad de la batería: 700mAh

NO $ 15.800

3 Mini turbina hidráulica FPTL

(Traxco, 2011)

Presión de trabajo: 4 Kg/cm2. Flujo máximo: 10 l/s (36 m3/h). Es económica, de rápida amortización y muy rentable. No produce impacto medioambiental, ni visual, ya que la instalación queda en línea con la tubería

NO $ 832.000

4 F50-80V

(Yaxa, 2017)

Presión de trabajo: 0.05 Mpa El voltaje máximo de salida: 80 V (1.2mpa) La corriente de salida máxima: = 220 mA (12 V) La resistencia entre líneas: 10.5 ± 0.5O Resistencia de aislamiento: 10 MO (DC100 (cc) Salida de resistencia cerrada a la presión más alta: 0.6 Mpa Salida de la resistencia máxima a la presión de apertura: 1.2 MPa Aspecto: generador de superficie limpia, sin corrosión, sin rasguños significativos, estructura sólida.

SI $ 126.000

5 Mini hidrogenerador RC T1

(Traxco, 2010)

Es de dimensiones muy reducidas, con bocas de entrada y salida en 2″, y de prestaciones muy elevadas: 1 Kw/h. Tensión de trabajo: 24 voltios. Se precisa una batería mínima de 24 voltios, 800Ah.

NO $ 1.836.512

22

6 Mini hidrogenerador TAXCO

(Traxco, 2010)

Presión de trabajo: 0,8 Kg/cm2 de y hasta

un máximo de 8 Kg/cm2

El mismo equipo se regula

automáticamente para cargar y acumular

la electricidad generada en baterías tanto

si son de 12V, como de 24V, como de 48V.

En 12V genera una potencia máxima de

entre 0,5 y 0,8 kWcc, en 24V de entre 0,8

y 1,2 kWcc y en 48V de 1,5 kWcc.

NO $ 1.716.324

Tabla 2 Micro-hidrogeneradores y mini-hidrogeneradores presentes en el mercado


2.2.3 Características de uso de cada salida hidráulica

En la Figura 4 se aprecia las tendencias de uso en las unidades de vivienda durante una semana, las

cuales se realizaron por medio de un registro manual de cada habitante en las 2 unidades de vivienda,

la salida que más se utilizó en la vivienda 1 fue el lavaplatos con 2,4 h a la semana, mientras que en

la vivienda 2 la salida que más se utilizó fue la ducha con 10,5 h durante una semana, cabe resaltar,

que la vivienda 1 cuenta con tres habitantes y la vivienda 2 con 8 habitantes .

Figura 4 Tendencia de uso en número de veces que se usa cada salida hidráulica


0

20

40

60

80

100

120

Lavaplatos Lavamanos Sanitario Ducha Lavadora

16

4231

21

2

43

112

83

56

5

nú

me

ro d

e v

ece

s q

ue

se

usa

un

a sa

lida

du

ran

te

un

a se

man

a

Salidas hidráulicas

Tabla de tendencias de uso para cada salida hidráulica

Vivienda 1 Vivienda 2

23

Figura 5 Tendencias de uso de cada salida hidráulica


0,4 0,

8

2,4

0,3 0,6

3,2

6,6

3,3

5,0

10,5

L A V A D O R A L A V A M A N O S L A V A P L A T O S S A N I T A R I O D U C H A

TIEM

PO

DE

USO

DU

RA

NTE

UN

A S

EMA

NA

[H

]

SALIDAS HIDRÁULICAS

TENDENCIAS DE USO POR SALIDA HIDRÁULICA

Tiempo de uso vivienda 1 Tiempo de uso vivienda 2

24

3 MEDICIÓN DE CAUDAL DE CADA SALIDA HIDRÁULICA DE LA VIVIENDA

La medición de caudal de cada salida hidráulica es indispensable, este determina el potencial de

generación eléctrica que puede tener cada salida, con el cual se podrá evaluar los dos micro-

hidrogeneradores y determinar cuál tiene mejor comportamiento.

3.1 DISEÑO SISTEMA DE MEDICIÓN DE CAUDAL

El sistema de medición nos proporciona el caudal, los datos se evalúan y se comprueban con el fin de

llevarlos a prueba para cada micro hidrogenerador en el prototipo de ensayos, a continuación, se

describen las partes que conforman el equipo de medida.

3.1.1 Componentes

Para realizar la medición del caudal se requieren incorporar a cada salida hidráulica un sistema de

medición, con el cual se medirá el caudal de cada salida según el porcentaje de apertura de la válvula

y según el comportamiento real de cada salida. Los componentes requeridos son los descritos en la

Tabla 3.

Elementos usados para la medida de caudal

Elemento Ilustración Características

Medidor de Caudal YS – S201

(Yaxa, 2017)

Tipo de Sensor: Hall Effect Tensión de trabajo: 5V ~ 24V DC Corriente: 15mA Presión de líquido: = 1.75MPa Flujo de trabajo: 1 ~ 30 L/min Pulsos por litro: 450 Rosca de conexión: 1/2"

Arduino MEGA

(Arduino, 2016)

Realiza control de todos los sensores utilizados en el prototipo y poder hacer medida de las variables de salida

Pantalla táctil LCDTactil 2.4 Pulg Tft

(Arduino, 2016)

Permiten visualizar y registrar las variables de tensión, corriente, potencia generada y caudal, que son indispensables para conocer la factibilidad de la instalación de cada micro-hidrogenerador

25

Aplicación Android

(Arduino, 2016)

La aplicación de Android cuenta con una ventana de visualización en la que se observan las variables de tensión, caudal y se puede visualizar la tensión vs tiempo en la parte inferior

Tabla 3 Elementos usados para la medida de caudal


3.1.2 Calibración

Como se describe en la Ecuación 1 el caudal se determina tomando el volumen de un líquido o fluido

que pasa por medio de un ducto o tubería en un determinado tiempo, conociendo el caudal tomado

por el sensor en las pruebas, se verifica la medición por medio del modelo matemático descrito en la

Ecuación 2, primero se realiza una medición manual por medio del volumen a través del peso en cada

una de las salidas hidráulicas, como se observa en la Figura 6, usando un cronometro, un recipiente

y una balanza se puede estimar la cantidad de líquido que en un determinado periodo de tiempo,

tomando varias medidas se calculó un promedio el cual es comparado y verificado con la medida

obtenida por el medidor de caudal, en la Tabla 5 se registran los valores obtenidos. Para verificar la

relación de peso, caudal se tiene de la relación que existe entre capacidad y volumen, se tiene como

referencia:

1 dm3 ↔ 1 litro ↔ 1 kg

Ecuación 1 Relación peso volumen

En la Figura 6 la balanza muestra 478 ml equivalente a 0.478 kg, sin embargo se requiere realizar un

ajuste debido a la temperatura del agua en la prueba y la densidad del agua de acuerdo a la

temperatura del líquido como lo muestra la Tabla 4.

Densidad del agua líquida entre 0° C y 100 °C

Temperatura Densidad Temperatura Densidad Temperatura Densidad

°C kg/m^3 °C kg/m^3 °C kg/m^3

0 (Hielo) 917 33 994,76 67 979,34

5 1000 39 992,63 73 975,28

6 999,99 40 992,25 74 974,68

7 999,96 41 991,86 75 974,08

8 999,91 42 991,46 76 973,46

9 999,85 43 991,05 77 972,85

10 999,77 44 990,64 78 972,85

11 999,68 45 990,22 79 972,23 Tabla 4 Densidad del agua líquida

Fuente: (Vaxa Sotfware, 2016)

26

De acuerdo con la Tabla 4, se tiene una densidad del agua de 999.77 kg/𝑚3 esto requiere de un

ajuste en cada una de las medidas usando una regla de tres.

999.77 kg ↔ 1 𝑚3

0.478 kg ↔ 𝑥 𝑚3

Entonces

𝑋 =0.478 𝑘𝑔 ∗ 1 𝑚3

999.77 𝑘𝑔= 0.000477 𝑚3

Considerando que

1000 𝑑𝑚3 = 1 𝑚3

Entonces tenemos con el ajuste por

temperatura un total de:

0.477 𝑑𝑚3 = 0.477 𝐿

Ecuación 2 Modelo matemático para el ajuste de densidad del agua de acuerdo con la temperatura

En la Tabla 5 se muestra la toma de datos de cada una de las salidas hidráulicas de la vivienda con

el ajuste por temperatura.

Figura 6 Toma de datos de caudal de cada salida hidráulica, por el método manual


27

Tabla 5 Datos de la prueba de calibración de caudal de cada salida hidráulica


3.2 MEDICIÓN DE CAUDAL SEGÚN APERTURA DE LAS VÁLVULAS

Cada una de las salidas hidráulicas de la vivienda tiene una variación de caudal, que depende de la

apertura de la válvula, para determinar que caudal puede tener la salida, teniendo en cuenta la

variación de las llaves se realizó la Tabla 6 y Tabla 7, en la que se consiga diferentes porcentajes de

apertura de las válvulas y su caudal registrado.

Tiempo Litros Caudal Promedio Caudal Promedio

[s] [L] [L/min] [L/min] [L/min] [L/min]

2,22 0,23 6,14 6,33 3,10

2,26 0,24 6,26 6,49 3,66

2,31 0,25 6,38 6,60 3,38

2,36 0,26 6,50 6,77 3,94

16,47 0,35 1,28 1,34 4,76

16,67 0,36 1,30 1,35 3,94

16,87 0,37 1,32 1,37 3,66

17,07 0,38 1,34 1,39 3,38

5,34 0,54 6,09 6,35 4,03

5,18 0,52 6,06 6,25 3,01

5,02 0,50 6,03 6,18 2,44

4,87 0,49 6,00 6,25 4,03

3,46 0,44 7,68 7,96 3,47

4,83 0,48 5,94 6,12 3,01

5,00 0,46 5,53 5,64 2,06

5,18 0,44 5,14 5,32 3,29

6,07

6,32

Sanitario 1,31

Lavamanos 6,04

Ducha

Lavaplatos

Medida de caudal método manual

Salida

Medidor de caudal

6,55

1,36

6,25

6,26

Error

Promedio %%

3,45

28

Tabla 6 Prueba de medición de caudal por cada salida hidráulica de la vivienda 1


[L/min] [L/min] [L/min] [L/min]

1 8,36 6,27 4,18 2,09

2 8,01 6,01 4,01 2,00

3 8,26 6,20 4,13 2,07

4 8,31 6,23 4,16 2,08

8,24 6,18 4,12 2,06

1 0,66 0,49 0,33 0,16

2 0,67 0,50 0,33 0,17

3 0,68 0,51 0,34 0,17

4 0,70 0,52 0,35 0,17

0,68 0,51 0,34 0,17

1 4,54 3,41 2,27 1,14

2 4,72 2,90 2,36 1,18

3 4,75 3,55 2,37 1,19

4 4,63 3,39 2,31 1,16

4,66 3,31 2,33 1,16

1 4,16 3,12 2,08 1,04

2 4,03 3,03 2,02 1,01

3 3,99 3,00 2,00 1,00

4 4,23 3,17 2,11 1,06

4,10 3,08 2,05 1,03

1 5,72 4,29 2,86 1,43

2 6,31 4,73 3,16 1,58

3 5,28 3,96 2,64 1,32

4 6,02 4,52 3,01 1,51

5,83 4,37 2,92 1,46

Medidas

Promedio

Medidas

100% 75% 50% 25%

Medidas

Unidades

Promedio

SanitarioMedidas

Promedio

LavadoraMedidas

Promedio

Promedio

Salida

hidráulica

Caudal [L/min]

Ducha

Lavamanos

Lavaplatos

Porcentaje de

caudal

Prueba de medición de caudal por cada salida hidráulica de la vivienda

Casa de prueba # 1

29

Tabla 7 Prueba de medición de caudal por cada salida hidráulica de la vivienda 2


Con cada registro se analizar el potencial hidráulico de la salida y su promedio, con el cual se realiza

las pruebas en el prototipo, con cada uno de los micro-hidrogeneradores seleccionados. La vivienda

1 se encuentra en la localidad de Fontibón y está habitada por tres personas las cuales solo una de

ellas se encuentra el 70% del tiempo en casa, esta es una vivienda con pocos habitantes ya que el

promedio de habitantes para el estrato dos es de cinco personas por núcleo familiar. La vivienda 2 se

encuentra está ubicada en la localidad de Bosa la cual está habitada por 8 personas de las cuales

permanecen un 60% del tiempo en casa y se considera una vivienda que está por encima del promedio

de personas por familia, siendo estas dos viviendas una muy buena relación para la comparación de

resultados.

3.3 MEDICIÓN DE CAUDAL SEGÚN USO REAL DE LAS SALIDAS HIDRÁULICAS

Para obtener el comportamiento real del caudal en cada salida, y poder analizar qué valores de caudal

pueden ser aprovechados para la generación de energía eléctrica en la vivienda, se realizó la medición

con el medidor de caudal en cada salida durante un tiempo de una semana, se requiere de un periodo

100% 75% 50% 25%

[L/min] [L/min] [L/min] [L/min]

1 6,14 4,60 2,30 0,58

2 6,26 4,69 2,35 0,59

3 6,38 4,78 2,39 0,60

4 6,50 4,88 2,44 0,61

6,32 4,74 2,37 0,59

1 1,28 0,96 0,48 0,12

2 1,30 0,97 0,49 0,12

3 1,32 0,99 0,50 0,12

4 1,34 1,01 0,50 0,13

1,31 0,98 0,49 0,25

1 6,09 4,57 2,28 0,57

2 6,06 4,54 2,27 0,57

3 6,03 4,52 2,26 0,57

4 6,00 4,50 2,25 0,56

6,04 4,53 2,27 0,57

1 7,68 5,76 2,88 0,72

2 5,94 4,45 2,23 0,56

3 5,53 4,14 2,07 0,52

4 5,14 3,86 1,93 0,48

6,07 4,55 2,28 0,57

1 5,68 4,26 2,13 0,53

2 5,92 4,44 2,22 0,56

3 5,74 4,31 2,15 0,54

4 5,89 4,42 2,21 0,55

5,81 4,36 2,18 0,54

SanitarioMedidas

Promedio

LavamanosMedidas

Promedio

Porcentaje de caudalSalida

hidráulica

Caudal [L/min]

Unidades

DuchaMedidas

Promedio

LavaplatosMedidas

Promedio

LavadoraMedidas

Promedio

Casa de prueba # 2

Prueba de medición de caudal por cada salida hidráulica de la vivienda

30

que se repita para poder proyectar los datos recogidos en las pruebas, con excepción del sanitario y

la lavadora, las cuales tienen un comportamiento diferente. Los datos de caudal fueron registrados

cada segundo con un sistema de adquisición de datos y una aplicación Android que se explicará con

mayor detalle en el capítulo 4.2 Estas mediciones se realizaron por separado para cada salida en las

unidades de vivienda, tal como se describe a continuación:

• Ducha

En las viviendas, el registro de la ducha se realizó instalando el medidor de caudal en serie con la

tubería hidráulica de esta, como se muestra en Figura 7.

Figura 7 Conexión de medidor de caudal a la ducha de la vivienda 1 y 2


En la Figura 8 se observa el comportamiento del caudal en función del tiempo que se utiliza la ducha

en promedio en cada vivienda, en la cual se puede apreciar que su uso es diferente, teniendo un

comportamiento continuo para la vivienda 2 y uno intermitente para la vivienda 1, además de

presentar mayor caudal la vivienda 2.

Figura 8 Tiempo de uso vs caudal de la ducha para vivienda 1 y 2


-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Cau

dal

[L/

min

]

Tiempo [s]

Tiempo de uso vs Caudal en la ducha


31

• Lavamanos

En la salida del lavamanos se realizó la conexión del medidor de flujo usando los acoples de las llaves

de cada vivienda, como se muestra en la Figura 9, en la Figura 10 se evidencia los valores de caudal

y los tiempos de uso para las personas que habitan la vivienda. Con esta medida se utilizan los valores

de caudal para la salida que serán emulados en el prototipo de pruebas con cada uno de los micro-

hidrogeneradores.

Figura 9 Conexión de medidor de caudal a la salida de lavamanos de la vivienda 1 y 2


Figura 10 Tiempo de uso y de caudal vs tiempo del lavamanos para la vivienda 1 y 2


0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

0 50 100 150 200

Cau

dal

[L/

min

]

Tiempo [s]

Tiempo de uso vs Caudal del lavamanos


32

• Lavaplatos

Para obtener la medición de caudal en el lavaplatos, se realizó la conexión del sensor de caudal

aprovechando los acoples que conectan a la llave diferencial del lavaplatos de cada vivienda como se

muestra en la Figura 11 , en la Figura 12 se muestra los valores obtenidos de la medición de caudal.

Figura 11 Conexión de medidor de caudal a la salida de lavaplatos de la vivienda 1 y 2


Figura 12 Caudal vs tiempo del lavaplatos para la vivienda 1 y 2


0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200

Cau

dal

[L/

min

]

Tiempo [s]

Caudal del lavaplatos vs tiempo de las viviendas


33

• Sanitario

Para hacer la medición de caudal de esta salida hidráulica, se hizo el registro de dos descargas, dado

que es una salida que tiene un mismo comportamiento todas las veces que sea utilizada y no presenta

diferencia de caudal, en la Figura 13 se muestra la conexión de medidor de caudal en el sanitario.

Figura 13 Conexión de medidor de caudal a la salida de sanitario de la vivienda 1 y 2


En la Figura 14 se observa la medición de caudal vs tiempo para dos descargas, en la que se puede

apreciar una diferencia, la vivienda 1 posee un sistema de árbol moderno, para tanque ahorrador de

4.2 L, en el que se maneja un caudal constante hasta su límite máximo de almacenamiento, mientras

que la vivienda 2 posee un sistema antiguo de flotador, en el que su caudal varía de acuerdo al nivel.

Figura 14 Tiempo de uso vs caudal del sanitario para la vivienda 1 y 2


0

2

4

6

8

0 50 100 150 200 250 300

Cau

dal

[L/

min

]

Tiempo [s]

Tiempo de uso vs Caudal del sanitario


34

• Lavadora

En la lavadora se realizó la medida de caudal, conectando el medidor de flujo a la entrada de agua

fría de la lavadora como se evidencia en la Figura 15, tomando el registro de caudal en un proceso de

lavado completo; en cada vivienda se realizó la misma medición para una lavadora promedio de 18

Kg y 22 Kg, en la Figura 16 se muestra los ciclos de lavado en cada vivienda, con esta información se

puede calcular la cantidad de energía que se puede generar para cada micro-hidrogenerador.

Figura 15 Conexión de medidor de caudal, en la lavadora de la vivienda 1 y 2


Figura 16 Tiempo de uso vs Caudal de la lavadora para la vivienda 1 y 2


0

1

2

3

4

5

6

7

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Cau

dal

[L/

min

]

Tiempo [s]

Tiempo de uso vs Caudal de la lavadora


35

4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO

En este capítulo se dan a conocer los requerimientos y criterios que se tienen en cuenta en el diseño

y construcción del prototipo de simulación de la red hidráulica potable de la unidad de vivienda.

El diseño del prototipo tiene como fin describir los esquemas y partes necesarios para construcción

de simulador hidráulico de una vivienda. En la etapa de construcción se toman como guía los diseños

previos para realizar su construcción.

4.1 DISEÑO

Dentro de los equipos necesarios para la construcción del prototipo se requieren dispositivos eléctricos

y mecánicos que se especifican a continuación:

4.1.1 Componentes

• Micro-hidrogenerador

Los micro-hidrogeneradores son de dos tipos seleccionados de acuerdo a la disponibilidad en el

mercado nacional, uno con acople directo y el otro con acople magnético, los cuales producen dos

niveles de tensión diferentes, el primero tiene una tensión de salida de 12 V y el segundo de 5 V. Las

características se mencionan a continuación:

Tabla 8 Aspectos técnicos de los micro-hidrogeneradores


Cada micro-hidrogenerador tiene un diámetro de conexión para la tubería de 1/2" PVC de tipo pesado,

con acoples de conexión de unión macho roscada al exterior en ambos extremos, Pueden soportar un

caudal de 45 L/min, en la Figura 17 se muestra los micro-hidrogeneradores seleccionados. En la Tabla

9 se muestran las partes y accesorios que componen el prototipo.

Aspectos eléctricos micro-hidrogenerador 1: Aspectos eléctricos micro-hidrogenerador 2:

1. Salida de alto voltaje: 80 V 1. Tensión de salida: 3.5 V

2. Salida máxima: 220 mA 12 V 2. Tensión de salida máxima: 4.5 V

3. Resistencia de aislamiento: 10M DC 3. Corriente de salida: 128 a 260 mA

Aspectos mecánicos micro-hidrogenerador 1: 4. Tensión de salida: 3.5 a 4.5 VDC

1. Espacio axial 0.2 – 1.0 mm Aspectos mecánicos micro-hidrogenerador 2:

2. Ruido mecánico: 55 dB 1. Dimensiones: 85.4 X 42.5 X 81.4 mm

3. Volumen del generador: 90 g

4. Dimensiones: 0.14 X 0.09 X 0.02 m

5. Peso: 0.06 Kg

36

Figura 17 Micro-hidrogenerador de conexión directa F50-80V y de conexión de tipo de acople magnético


Ítem Dispositivo Descripción Imagen

1 Motobomba

Permite impulsar el agua para que circule por la red de tuberías acopladas al sistema, a través de su control se podrá hacer la variación del caudal, tiene ½ HP, con un nivel de tensión de 120 V

2 Tuberías

Se utiliza tubería de PVC agua fría de tipo pesado, de diámetro de ½”, se requiere aproximadamente 3 ml de tubería con sus accesorios, Fuente: PAVCO, 2017 Tuberías y accesorios para red de agua, https://pavco.com.co/

3 Tanque de

almacenamiento

Tiene la función de contener el agua para realizar las pruebas, almacena aproximadamente 7 L, la conexión del tanque a la tubería se realizará por medio de una unión universal

4 Elementos de

control

Módulo relé de 2 canales PIC Arduino: Permite accionar la alimentación eléctrica de la motobomba, control ON-OFF

Control de caudal por válvula de alivio, permite ajustar el caudal que pasa por el micro-hidrogenerador, ajustando la apertura de un registro de tipo bola, Este permite hacer un mejor ajuste del paso de agua por el micro-hidrogenerador.

37

5 Arduino MEGA

Realiza control de todos los sensores utilizados en el prototipo. realiza medida de las variables de salida y entrada y permite realizar comunicación con la aplicación a través de elementos periféricos

6 Sensor de

corriente Arduino, rango de 20 A

Registra la corriente que pasa por la carga, utiliza un sensor de corriente de efecto Hall con un rango de medida de 20 A máximo, el amperímetro mide la corriente en función de la tensión se salida del generador y a su vez varía de acuerdo al caudal de cada una de las salidas hidráulicas del sistema.

7

Sensor de tensión Arduino con

rango de medida de 0-25 V

Para registrar la variación de voltaje, que permite registrar el nivel de tensión DC de cada micro-hidrogenerador y entregarlo en una señal a una entrada digital del Arduino

8 Medidor de

Caudal YS – S201

Mide el caudal presente en las y registra la cantidad de agua por unidad de tiempo que pasa por el micro-hidrogenerador

9 Elementos de visualización

Pantalla táctil LCDTactil 2.4 Pulg Tft: es un periférico adaptado al Arduino MEGA, este periférico permite visualizar las variables en pantalla en tiempo real y a su vez almacena los cambios en una tarjeta microSD.

Dispositivos Android: puede controlar y visualizar las diferentes variables del sistema por medio de una aplicación Android

Tabla 9 Tabla de componentes del prototipo


4.1.2 Esquemas

El diseño 3D del prototipo se realizó en el programa Google SketchUp que permite modelar todos los

dispositivos y la forma de construcción que tiene el prototipo de pruebas como se muestra en la Figura

18, a continuación, se explica la distribución y partes que componen el prototipo.

38

Figura 18 Diseño de prototipo para simular el caudal y tiempo de usos de cada salida hidráulica


• Red hidráulica

La distribución de la tubería consiste básicamente en hacer pasar por cada micro-hidrogenerador una

cantidad de agua de acuerdo con las salidas de la vivienda, en este caso se utiliza un ciclo cerrado

para el paso del agua, utilizando una motobomba, para el inicio del ciclo, tuberías que conducen el

agua a través de los micro-hidrogeneradores y la válvula de alivio, las dos canalizaciones hacia el

tanque de almacenamiento con el cual se cierra el ciclo. A continuación, en la Figura 19 se visualiza

el esquema en 3D de la red hidráulica del prototipo.

Figura 19 Diseño de la red hidráulica del sistema de pruebas


39

• Control

Para el esquema de control se muestra la ubicación de la tarjeta de control, los sensores de tensión y

corriente, los periféricos de visualización, los elementos de comunicación y almacenamiento de datos

que maneja el prototipo, en este caso todos los elementos se concentran en el Arduino MEGA que es

el centro de control del prototipo, en la Figura 20 se muestra la disposición de cada uno de los

elementos de control y sensores que tiene el prototipo.

Figura 20 Diseño del sistema de control y comunicación del prototipo


• Sistema medición de caudal

Para el sistema de medición de caudal se utiliza el sensor de flujo y acople de acceso rápido para el

micro-hidrogenerador como se muestra en la Figura 21. En la Figura 22 se observa la distribución y

disposición de cada uno de los dispositivos presentes en el prototipo, con el cual se realizan las

pruebas para cada uno de los micro-hidrogeneradores con los diferentes niveles de caudal de las

salidas caracterizadas en la Tabla 6 y la Tabla 7.

Figura 21 Sistema de acople para medidor de caudal y micro-hidrogenerador


40

Figura 22 Prototipo de pruebas, sistema hidráulico, control, almacenamiento


4.2 DISEÑO Y CONFIGURACIÓN DE LA APLICACIÓN ANDROID

Para el proyecto se requiere realizar el tratamiento de los datos obtenidos y una visualización que

permita observar los cambios de las diferentes variables, tanto eléctricas como hidráulicas que tienen

cada uno de los micro-hidrogeneradores, en cada una de las salidas de la unidad de vivienda, por

medio de una aplicación para teléfonos inteligentes o tabletas se cumple este requisito, básicamente

es el complemento para el prototipo que permite simular el caudal y tiempo de uso de las salidas

hidráulicas (lavamanos, sanitario, ducha, lavaplatos y lavadora), ya que con el aplicativo se puede

energizar la motobomba y su velocidad, así como también importar y almacenar las variables eléctricas

e hidráulicas de cada una de las pruebas.

Es importante resaltar que la aplicación no se desarrolla desde cero, sino que se usa una aplicación

o plataforma que permita enlazar y controlar las entradas y salidas del Arduino Mega, por medio de

un canal de comunicación vía Bluetooth.

La aplicación Virtuino ha sido la plataforma seleccionada para monitorear sensores y controlar los

dispositivos del sistema, además permite crear diferentes pantallas que brindan la información

necesaria, botones e interruptores para interactuar con el sistema, desde cualquier dispositivo móvil

que trabaje con sistema Android

41

4.2.1 Requerimientos

La instalación de la plataforma o aplicación base para el manejo de variables y comunicación con el

Arduino Mega, así como también el aplicativo de diseño cumple con los siguientes requerimientos.

• Instalación sencilla

• Transmisión de datos

• Visualización de variables

• Control

• Gestión de datos y almacenamiento

4.2.2 Aplicación Android

La instalación de la aplicación que sirve como plataforma o base para la creación de un archivo que

permite hacer comunicación y gestión de datos se conoce con el nombre "Virtuino" y puede ser

descargada desde la tienda de Google cómo se observa en la Figura 23, este aplicativo permite

diseñar un proyecto con el que un teléfono inteligente o Tablet puede controlar vía Bluetooth las

entradas y salidas de Arduino MEGA y de esta manera realizar el control y visualización del proceso

del prototipo, está aplicación permite varios tipos de conexión.

Figura 23 Plataforma Virtuino, descarga


42

El aplicativo permite realizar un proyecto que pueden incluir diferentes dispositivos como se muestra

en la Figura 24, dentro de los cuales se cuenta con un emulador de pulsador, display de visualización,

luz piloto, temporizadores y contadores, gráficas. Cada una de ellas modificable dentro de una ventana

principal como se observa en la Figura 25.

Figura 24 Opciones de la plataforma Virtuino


Figura 25 Menú de configuración de cada uno de los dispositivos de visualización


43

• Comunicación con el Arduino MEGA

Para el diseño de la aplicación se requiere que esta tenga un canal directo con el prototipo, por el que

se pueda transmitir datos y que permita hacer supervisión de este, se usa un canal Bluetooth, para el

que se requiere de la conexión, como se observa en la Figura 26, la cual permite realizar la conexión

entre el Arduino Mega y la aplicación.

Figura 26 Esquema de conexión de canal de comunicación Bluetooh HC-05

Fuente (Virtuino, 2017)

La configuración del Bluetooth para Arduino se muestra en el Anexo 1 Para la configuración es

importante establecer el puerto de conexión y el nombre del dispositivo para crear el enlace con la

aplicación.

• Visualización de variables del prototipo

Con la aplicación se puede ver los cambios de las variables de tensión y caudal en la tubería por medio

de display de visualización cómo se observa en la Figura 30, en la que se identifica cada uno de los

periféricos y sensores del Arduino MEGA y los enlaza con una entrada o salida digital o analógica de

la tarjeta de control, de esta manera se puede enviar la información vía Bluetooth y de esta forma

poder proyectarse en los display de la aplicación.

• Control del prototipo

Para poder controlar el prototipo, se requiere de un control on-off para una motobomba de 1/2 HP, Por

medio de la aplicación Android se configura el encendido de la motobomba, para similar los tiempos

de uso de cada salida hidráulica.

• Gestión y almacenamiento de datos del prototipo

Usando la aplicación de Android se puede no sólo visualizar los valores de las variables de tensión y

caudal y su comportamiento representado en gráficas, sino también se puede hacer gestión de los

datos y almacenamiento de los mismos, para ello la plataforma cuenta con un gráfico que permite

visualizar cualquier variable en las entradas del Arduino MEGA y mostrarla con respecto al tiempo, en

este caso se puede graficar tensión, corriente, potencia de cada micro-hidrogenerador, como se

44

muestra en la Para registrar este valor es necesario utilizar el comando de exportar datos, con lo que

la aplicación exporta los datos en un formato de Excel que puede ser almacenado en la memoria

interna del dispositivo que puede una memoria microSD de hasta 32 GB.

4.2.3 Programación del sistema de control y del aplicativo Android

Para el sistema del control de dispositivos se usa la plataforma Arduino y para el sistema de gestión

de variables se usa la aplicación Android, a continuación, se describen los procesos de programación

de cada uno.

• Arduino

Para el control del prototipo se requiere la programación de la tarjeta Arduino MEGA, que es la que

administra los sensores de tensión y caudal, como los activadores del prototipo, para lo cual se inicia

por describir cada uno de las librerías necesarias para los sensores incluidos en el prototipo, cada

librería contiene la información necesaria para la identificación y control de cada sensor, en la Figura

27 se observa las librerías necesarias para el programa.

Figura 27 Librerías del programa de control del prototipo de pruebas


A continuación, se indica el código de programación base, con la que inicia la tarjeta en el momento

del arranque, en este se encuentra las variables y la definición de la comunicación, se agregan las

líneas de código para la pantalla táctil y la comunicación vía Bluetooth con la aplicación en la Figura

28 se describen las variables y se muestra el código de programación de la etapa de arranque.

45

Figura 28 Variables del programa de control del prototipo de pruebas


Para la etapa del programa, se describe el programa que debe repetirse constantemente para la

lectura de las diferentes variables del sistema, se encuentra la etapa de almacenamiento de variables

y el proceso para la operación de la potencia generada, en la Figura 29 se muestra el código

correspondiente al menú repetitivo

Figura 29 Líneas para transmisión de datos de la aplicación y el prototipo de pruebas


• Android

Para la programación de la aplicación, primero se realiza la parte visual, en la que se agregan las

ventanas de acuerdo a cada proceso que tiene el prototipo, cada ventana cuenta con los elementos

de visualización de variables como lo son tensión, corriente, potencia y caudal entregado por la

motobomba, para la que se tiene también una ventana de control en la que se da encendido y apagado

de la misma por medio de temporizadores que se programan por los tiempos de uso de la salida

46

hidráulica descritas en la Tabla 6 y la Tabla 7, adicionalmente el aplicativo contiene ventanas

especiales para las gráficas de cada variable, por medio de las cuales se puede hacer gestión y

almacenamiento de las mismas.

Figura 30 Visualización de variables del prototipo en la aplicación Virtuino


En la ventana de visualización se pueden observar las variables de tensión, caudal y se puede

visualizar la tensión vs tiempo en la parte inferior, también se puede hacer cierto control del caudal de

la motobomba, así como su encendido y apagado, en la Figura 31 se muestra la ventana para el micro-

hidrogenerador 1.

47

Figura 31 Ventana de visualización de variables para cada micro-hidrogenerador


Para cada prueba se tiene una ventana en la que se puede visualizar variables como el caudal y la

cantidad de líquido usado en la prueba, el encendido y apagado de la bomba por medio de

temporizadores, que cuentan con los tiempos de uso de cada salida hidráulica de la vivienda, como

se observa en la Figura 32.

Figura 32 Ventana de control de la motobomba encendido ON-OFF y variador de velocidad


48

Para el almacenamiento de los datos fue necesario la el diseño y programación de una ventana que

permite visualizar las dos principales gráficas de tensión y caudal en cada prueba y hacer un correcto

almacenamiento de las variables, este almacenamiento se hace exportando los datos directamente a

un archivo de Excel del que luego se pueden obtener fácilmente los datos de cada prueba, en esta

pantalla se puede encender y apagar la bomba, así como también hacer control de su caudal, en la

Figura 33 se puede visualizar las gráficas de tensión y caudal de cada prueba.

Figura 33 Gestión de almacenamiento de datos del prototipo


4.3 CONSTRUCCIÓN

Para poder replicar las condiciones de funcionamiento de la red de agua potable de la unidad de

vivienda de estrato 2 en la ciudad de Bogotá, fue necesario establecer los parámetros de

funcionamiento para determinar cuáles serán las dimensiones y características mecánicas y eléctricas

del prototipo.

Para cumplir con las necesidades del prototipo, se debe contextualizar la ubicación de cada elemento

que integrará el prototipo con el fin de dimensionar los materiales y dispositivos que deberá contener

el sistema de red hidráulico dispuesto para la conexión de un micro-hidrogenerador.

Se instalo un micro-hidrogenerador con un diámetro de salida de ½” que es el estándar de tubería de

distribución de una vivienda estrato 2, asimismo este contará con unas dimensiones de 85.4 mm de

alto *42.5 mm de ancho * 81.4mm de largo; su forma de conexión debe ser sencilla por lo tanto se

49

utiliza un adaptador universal de ½” PVC, para realizar la conexión rápida de los micro-

hidrogeneradores seleccionadas, igualmente el sistema debe contener una válvula en este caso de

tipo bola que permita hacer la apertura o cierre para la circulación del fluido mientras se realiza la

conexión del micro-hidrogenerador, el prototipo debe contar con la circulación de agua, para el cual

se utilizará una motobomba de ½” HP y un tanque de almacenamiento de una capacidad de 20 L de

agua que cierre el circuito de red hidráulica.

Para la construcción del prototipo se basa en los requerimientos y objetivos del proyecto en los que

se busca evaluación se la factibilidad técnica de la instalación de un micro-hidrogenerador en la red

hidráulica de una vivienda de estrato dos de la ciudad de Bogotá, para lo cual la construcción del

prototipo que permite simular las condiciones de la red hidráulica está basado en el diseño de planos

y diagramas eléctricos que permiten modelar y mostrar el funcionamiento del prototipo, en este se

tiene en cuenta tanto la parte de control, potencia y red hidráulica, así como el proceso de

visualización, gestión y almacenamiento de datos, a continuación se describen uno a uno los pasos

requeridos para la construcción del prototipo de pruebas.

Para la construcción del prototipo se utilizan los diseños previos tanto eléctricos cómo mecánicos, se

realizó el ensamble de cada una de las piezas y las partes de control cómo se observa en la Figura

34, la parte de potencia del prototipo ilustrada en la Figura 35 y la parte de maniobras, en la Figura 36

y la Figura 37

Figura 34 Construcción del sistema de control y comunicación del prototipo


50

Figura 35 Construcción de la red hidráulica del prototipo de pruebas


Figura 36 Sistema para intercambio de micro-hidrogeneradores


51

Figura 37 Medidor de caudal y micro-hidrogenerador


4.4 PRUEBAS A MICRO-HIDROGENERADORES

Cada generador fue sometido a pruebas, con el fin de validar los datos del fabricante y conocer su

comportamiento con diferentes niveles de caudal y cargas.

Para el micro-hidrogenerador trifásico se realizaron dos pruebas, una con y sin el regulador de tensión

interno, se ilustran los resultados obtenidos de las pruebas en la Tabla 10 y Tabla 11.

Tabla 10 Tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador trifásico con regulador


330 Ω 146 Ω 100 Ω 75 Ω 47 Ω

1 1 V 0 V 0 V 0 V 0 V 0 V

1,5 3 V 0,6 V 0,3 V 0,2 V 0 V 0 V

2 6,5 V 2,4 V 1,4 V 1,1 V 0,9 V 0,5 V

2,5 9,6 V 3,9 V 2,4 V 1,8 V 1,4 V 0,9 V

3 12,4 V 5,6 V 3,5 V 2,7 V 2,1 V 1,4 V

3,5 12,5 V 7,1 V 4,5 V 3,5 V 2,8 V 1,8 V

4 12,6 V 8,9 V 5,7 V 4,5 V 3,6 V 2,4 V

4,5 12,7 V 10,3 V 6,6 V 5,2 V 4,3 V 2,8 V

5 12,7 V 11,9 V 7,8 V 6 V 4,9 V 3,5 V

5,5 12,7 V 12,2 V 8,8 V 6,9 V 5,5 V 3,9 V

6 12,8 V 12,3 V 9,7 V 7,5 V 6,2 V 4,2 V

6,5 12,8 V 12,4 V 10,6 V 8,5 V 7 V 4,7 V

7 12,8 V 12,5 V 11,8 V 9,1 V 7,6 V 5,1 V

7,5 12,9 V 12,6 V 12,1 V 9,9 V 8,1 V 5,5 V

8 12,9 V 12,6 V 12,1 V 10,6 V 8,5 V 5,8 V

8,5 12,9 V 12,7 V 12,2 V 11 V 9 V 6 V

9 13 V 12,8 V 12,3 V 11,7 V 9,5 V 6,4 V

9,5 13 V 12,9 V 12,5 V 12 V 9,8 V 6,6 V

10 13 V 13 V 12,5 V 12,1 V 10,3 V 6,6 V

Micro-hidrogenerador trifásico con regulador

CargasCaudal [L/min] Vacío

52

Para ilustrar de una manera más clara los resultados obtenidos de la prueba en el micro-

hidrogenerador trifásico con y sin regulador se realizó una gráfica, la cual se muestra en la Figura 38

y la Figura 39.

Figura 38 Comportamiento de la tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador trifásico con regulador


Tabla 11 Tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador trifásico sin regulador


0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12

TEN

SIÓ

N [

V]

CAUDAL [L/MIN]

Micro-hidrogenerador trifásico con regulador

Vacío 330 Ω 146 Ω 100 Ω 75 Ω 47 Ω

330 Ω 146 Ω 100 Ω 75 Ω 47 Ω

1 1,6 V 0,3 V 0 V 0 V 0 V 0 V

1,5 3,5 V 1,2 V 1 V 0,5 V 0,4 V 0,3 V

2 7,2 V 3 V 1,7 V 1,2 V 0,9 V 0,6 V

2,5 10,2 V 4,4 V 2,7 V 2 V 1,5 V 1 V

3 12,5 V 6,5 V 3,9 V 2,7 V 2,1 V 1,5 V

3,5 15,4 V 7,8 V 4,9 V 3,5 V 2,8 V 2 V

4 17,6 V 9,6 V 6,1 V 4,6 V 3,6 V 2,4 V

4,5 20 V 11,2 V 7 V 5,5 V 4,3 V 2,9 V

5 22,7 V 12,6 V 8,3 V 6,1 V 5,1 V 3,4 V

5,5 24,9 V 14,1 V 9,5 V 7 V 5,7 V 3,9 V

6 26,9 V 15,2 V 10,3 V 7,6 V 6,4 V 4,3 V

6,5 28,6 V 16,7 V 11,2 V 8,2 V 6,8 V 4,6 V

7 30,1 V 17,8 V 11,8 V 9 V 7,4 V 5,1 V

7,5 32,3 V 19,3 V 12,6 V 9,4 V 7,7 V 5,2 V

8 35 V 20,2 V 13,5 V 10 V 8,3 V 5,5 V

8,5 36,8 V 21,3 V 13,7 V 10,4 V 8,8 V 5,8 V

9 39,2 V 22,5 V 14,7 V 11,4 V 9,3 V 6,1 V

9,5 42 V 23,8 V 15,4 V 12,1 V 9,7 V 6,3 V

10 43,1 V 24,6 V 15,9 V 12,3 V 9,9 V 6,5 V

Micro-hidrogenerador trifásico sin regulador

CargasVacíoCaudal [L/min]

53

Figura 39 Comportamiento de la tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador trifásico sin regulador


En el micro-hidrogenerador DC, se realizaron las pruebas para diferentes niveles de caudal en vacío

y con cargas, los resultados se ilustran a continuación en la Tabla 12 y Figura 40.

Tabla 12 Tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador DC


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12

TEN

SIÓ

N [

V]

CAUDAL [L/MIN]

Micro-hidrogenerador trifásico sin regulador

Vacío 330 Ω 146 Ω 100 Ω 75 Ω 47 Ω

330 Ω 146 Ω 100 Ω 75 Ω 47 Ω

1 0 V 0 V 0 V 0 V 0 V 0 V

1,5 1,2 V 1,2 V 1,1 V 0 V 0,9 V 0,8 V

2 1,9 V 1,8 V 1,6 V 1,5 V 1,4 V 1,3 V

2,5 2,4 V 2,3 V 2,2 V 2,1 V 2 V 1,9 V

3 3,1 V 3 V 2,8 V 2,7 V 2,6 V 2,4 V

3,5 3,7 V 3,4 V 3,2 V 3,1 V 3 V 2,8 V

4 4,3 V 4 V 3,7 V 3,6 V 3,5 V 3,4 V

4,5 4,8 V 4,5 V 4,4 V 4,1 V 4 V 3,8 V

5 5,2 V 5 V 4,7 V 4,7 V 4,6 V 4,3 V

5,5 5,9 V 5,6 V 5,2 V 5,2 V 5,1 V 4,8 V

6 6,4 V 6 V 5,8 V 5,6 V 5,5 V 5,2 V

6,5 6,9 V 6,6 V 6,2 V 6 V 5,9 V 5,6 V

7 7,4 V 7 V 6,6 V 6,6 V 6,4 V 6 V

7,5 7,7 V 7,4 V 7,1 V 6,9 V 6,7 V 6,3 V

8 8,1 V 7,7 V 7,4 V 7,3 V 7,1 V 6,8 V

8,5 8,6 V 8,1 V 7,8 V 7,7 V 7,4 V 7,1 V

Micro-hidrogenerador DC

CargasVacíoCaudal [L/min]

54

Figura 40 Comportamiento de la tensión de salida en vacío y con diferentes cargas para el micro-hidrogenerador DC


Con el fin de evaluar la potencia máxima que puede entregar cada micro-hidrogenerador en función

de cada caudal, teniendo como rango el máximo suministrado por la motobomba, se puede observar

en la Figura 41 que el micro-hidrogenerador trifásico sin regulador puede entregar una potencia

cercana a 2W con un caudal de 10 L/min, mientras que con regulador sólo 1.5 W; caso contrario

sucede con el micro-hidrogenerador DC, el cual limitó el caudal de la motobomba a máximo 8.5 L/min,

y una potencia que supera levemente un vatio.

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

TEN

SIÓ

N [

V]

CAUDAL [L/MIN]

Micro-hidrogenerador DC

Vacío 330 Ω 146 Ω 100 Ω 75 Ω 47 Ω

55

Figura 41 Potencia máxima versus Caudal


56

5 FACTIBILIDAD DE IMPLEMENTACIÓN

Parte importante en el desarrollo del proyecto radica en determinar la factibilidad de la implementación

de estos micro-hidrogeneradores en una vivienda de estrato dos de la ciudad de Bogotá. Para lo cual

se debió conocer el comportamiento de las diferentes salidas hidráulicas de las viviendas

seleccionadas. Asimismo, las características técnicas de la ductería y tiempos de uso.

También es importante conocer el comportamiento del caudal de cada una de las salidas, la tensión y

potencia generada por cada uno de los micro-hidrogeneradores los cuales serán determinantes para

comprobar la capacidad que tiene cada uno.

5.1 ASPECTOS DE INSTALACIÓN

Las especificaciones para la instalación de los micro-hidrogeneradores están basadas en los

requerimientos de las salidas, como son el tipo de tubería utilizada en la red de distribución de agua

potable de las viviendas, el diámetro de la tubería que para el caso es de ½” y el caudal de cada salida.

En la Tabla 13 se relaciona aspectos para cada salida, teniendo en cuenta la ubicación, instalación,

adecuación eléctrica y el mejor micro-hidrogenerador a utilizar, obteniendo que la adecuación eléctrica

más simple se presenta en el cuarto de baño, ya que cuenta con 3 salidas que se encuentran a

distancias relativamente cortas y desde lo técnico puede permitir contar con un solo sistema de

almacenamiento de energía eléctrica.

SALIDA

ASPECTOS

Ubicación Instalación Adecuación eléctrica Micro-

generador utilizado

Lavadora

• En serie con el punto de conexión hidráulico. • Al respaldo de la lavadora.

• No requiere personal calificado • Requiere acople de conexión y adaptador de 1/2" para la conexión de entrada.

• Requiere mayor cableado para punto de conexión con el micro-hidrogenerador. • No requiere batería de almacenamiento debido al poco uso por semana. • Requiere circuito regulador para 5 V para cargar un power bank durante el ciclo de lavado.

G3-R

57

Lavamanos

• En serie con el punto de conexión hidráulico. • Parte inferior del lavamanos.

• No requiere personal calificado. • Requiere manguera de conexión.

• Requiere circuito regulador por cada micro-hidrogenerador y cableado para interconectarlos. • Requiere batería o power bank para almacenar la energía producida por las tres salidas del cuarto de baño.

G3-R

Sanitario

• En serie con el punto de conexión hidráulico. • Parte trasera del sanitario.

• No requiere personal calificado. • Requiere manguera de conexión

G3-R

Ducha

• En serie con el punto de conexión hidráulico. • Por la estructura mecánica del micro-hidrogenerador, no permite esfuerzos mecánicos significativos.


G3-R

Lavaplatos

• En serie con el punto de conexión hidráulico. • Parte inferior del lavaplatos.


• Por ser la salida de mayor uso por semana, requiere circuito regulador a 5V

G3-R

Tabla 13 Aspectos de instalación


5.2 COMPORTAMIENTO DE LOS MICRO-HIDROGENERADORES EN FUNCIÓN DE LAS SALIDAS HIDRÁULICAS

Para establecer el comportamiento de los micro-hidrogeneradores con respecto a cada salida

hidráulica, se realizó un análisis en función del caudal promedio registrado para cada salida, con el

cual se logró obtener la tensión, potencia y energía eléctrica que puede aportar cada micro-

hidrogenerador según el comportamiento de cada salida.

58

5.2.1 Tensión generada según caudal y tipo de salida

Un aspecto importante para determinar la factibilidad radicó en evaluar la tensión generada según el

caudal promedio de cada salida, con el cual se puede calcular la potencia eléctrica y conocer qué

posibles cargas puede alimentar. Como dato importante se analizaron los registros de caudales por

cada salida en las dos unidades de vivienda, en el cual se decidió evaluar el caudal mínimo, promedio

y máximo de cada salida, dato que para los siguientes numerales se hace dispendioso, toda vez que

son los que permitirán evaluar la capacidad de generación de cada una.

La Figura 42 y la Figura 43 muestra el comportamiento de tensión versus caudal de cada salida hidráulica para el micro-hidrogenerador trifásico con regulador, el sanitario y la lavadora presentan los mayores niveles de tensión obtenidos en la vivienda 1 con una valor de 12,7 V, , mientras que en la vivienda 2 la ducha y el lavaplatos son las salidas que alcanzan mayor nivel de tensión siendo esta de 13 V aproximadamente.

Figura 42 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico con regulador, vivienda 1


59

Figura 43 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico con regulador, vivienda 2


La Figura 44 y la Figura 45 presenta los valores de tensión obtenidos del generador trifásico sin

regulador, donde se puede observar que en la vivienda 1, el sanitario presenta mayor nivel de tensión

respecto a las demás salidas, por otra parte en la vivienda 2 la ducha presenta un nivel de tensión

superior a las demás salidas y mayor que en la vivienda 1.

60

Figura 44 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico sin regulador vivienda 1


Figura 45 Tensión en vacío vs Caudal generador trifásico sin regulador vivienda 2


61

En micro-hidrogenerador DC es el que menor tensión presenta, siendo la salida del sanitario la de

mayor tensión obtenida, como se observa en la Figura 46, mientras que para la vivienda 2 la menor

tensión obtenida es de la salida sanitario, y la mayor tensión se obtiene de la salida hidráulica de la

ducha, como lo muestra la Figura 47

Figura 46 Tensión en vacío vs Caudal generador DC, vivienda 1


62

Figura 47 Tensión en vacío vs Caudal generador DC, vivienda 2


Con los caudales obtenidos en las diferentes salidas, se aprecia que es aprovechable caudales bajos,

ya que las viviendas no reportaron en sus salidas caudales superiores a 12 litros por minuto, lo cual

limita la capacidad de tensión generada en vacío.

5.2.2 Potencia obtenida según caudal por tipo de salida

Una vez se evaluó la potencia que podía entregar cada micro-hidrogenerador en función del caudal,

se decidió tomar los valores de potencia e incorporarlos a cada caudal promedio obtenido en las

diferentes salidas, con lo cual se pudo comparar cada salida y establecer cuál presentaba mayor

potencial, tal como se observa en la Figura 48 y la Figura 49, en la cual se evidencia que la salida

sanitario de la vivienda 1 presenta una potencia de 0,62 W, mientras que las salidas del lavamanos y

el lavaplatos de la vivienda 2 presentan potencia de 2,40 W.

63

Figura 48 Potencia máxima versus Caudal promedio en vivienda 1


Figura 49 Potencia máxima versus Caudal promedio en vivienda 2


0,32

0,00

0,00

0,53

0,05

0,38

0,01

0,01

0,62

0,06

0,31

0,01

0,01

0,49

0,08


PO

TEN

CIA

[W

]

SALIDAS HIDRÁULICAS VIVIENDA 1

P O T E N C I A M Á X I M A C O N C A U D A L P R O M E D I O P A R A S A L I D A S H I D R Á U L I C A S

Potencia G3+R Potencia G3-R Potencia G DC

64

5.2.3 Comportamiento de la capacidad de generación de energía eléctrica por salida

Conociendo la potencia entregada por cada micro-hidrogenerador y caudal de cada salida, se valuó

la energía entregada para cada caso, evaluando para un periodo de una semana, en el cual se observa

en la Figura 50 que la salida del sanitario es la que mayor energía produce para la vivienda 1, mientras

en la Figura 51 de la vivienda 2 la salida de la ducha es la que mayor energía genera.

Figura 50 Energía aportada por las salidas en Wh para un periodo de una semana en la vivienda 1.


0,13

0,00

0,00

0,15

0,03

0,15

0,01 0,

02

0,18

0,03

0,12

0,01

0,03

0,14

0,04


ENER

GÍA

[W

/H]


E N E R G Í A E N U N A S E M A N A C O N C A U D A L P R O M E D I O P A R A S A L I D A S H I D R Á U L I C A S

Energía G3+R Energía G3-R Energía G DC

65

Figura 51 Energía aportada por las salidas en Wh para un periodo de una semana en la vivienda 2.


De lo anterior, para realizar una evaluación técnica en función de la energía, se toma de referencia

una batería de 3000 mAh y 4.7 V, de uso frecuente en celulares, la cual en teoría podría suministrar

unos 14 Wh, asumiendo que se requiere la misma energía para cargarla, se pudo obtener lo siguiente:

𝑇𝑅 =𝐸𝑅𝐵

𝐸𝑀𝐸

Donde: TR: tiempo requerido para cargar la batería con la energía obtenida en el mejor escenario de las viviendas. ERB: energía requerida para cargar una batería de 3000 mAh EMB: energía entregada en una semana en el mejor escenario.

Evaluando en la ecuación anterior

0,00

0,01 0,

31

0,00

10,5

1

0,02

0,04 0,

42

0,00

11,8

3

0,04

0,09 0,

40

0,00

8,85


ENER

GÍA

[W/H

]


E N E R G Í A E N U N A S E M A N A C O N C A U D A L P R O M E D I O P A R A S A L I D A S H I D R Á U L I C A S

Energía G3+R Energía G3-R Energía G DC

66

Vivienda 1: salida hidráulica sanitario

𝑇𝑅 =14 𝑊ℎ

0.18 𝑊ℎ= 77.77 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 = 19.44 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠

Vivienda 2: salida hidráulica ducha

𝑇𝑅 =14 𝑊ℎ

11.83 𝑊ℎ= 1.18 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎𝑠 = 0,29 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠

La Tabla 14 muestra el tiempo necesario en semanas y meses para cargar una batería que suministra

14 Wh, tomando como referencia el mejor caso tanto para la vivienda 1 como para la vivienda 2 siendo

estas las salidas de sanitario y ducha respectivamente, teniendo en cuenta la tendencia de uso por

cada habitante, lo cual indica que el tiempo es excesivo para su carga y esto desde el punto de vista

técnico no es factible.

Número de habitantes

Tiempo de carga

Semanas Meses

Vivienda 1 3 77.77 19.44

Vivienda 2 8 1.18 0.29

Tabla 14 Tiempo de carga requerido según número de habitantes y tendencias de uso para cada vivienda


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6 CONCLUSIONES

• En el mercado nacional encontramos micro-hidrogeneradores con caudal que va desde 0

L/min hasta 20 L/min, con diámetro de tubería de ½” para acople PVC, se encuentran solo

dos tipos, uno con salida en corriente directa de tensión máxima de 6.5 V a un precio de

$105.000 y una contra parte con salida que puede ser en corriente continua a 12 V máximo o

80 V sin regulador a un precio de $126.000, los dos manejan un precio promedio en el

mercado nacional de $115.600. Para los demás equipos no hace viable su compra debido a

que el precio por importación y envió es superior al costo de los micro-hidrogeneradores.

• Se pudo observar que las salidas de la unidad de vivienda tienen caudales diferentes, siendo

los más constantes los de sanitarios modernos, al igual se pudo analizar que el uso de las

salidas está en función de la cantidad de personas, de las tendencias de uso, las cuales

pueden variar significativamente.

• Dentro de las ventajas de la instalación del sistema, se puede ver que, para la salida de la

lavadora, al ser un uso único por semana y al tener un caudal continuo se puede conectar una

carga directamente para su aprovechamiento, a diferencia de las demás salidas de la vivienda

en donde su uso es diario, pero no continuo, en donde se puede necesitar el uso de un

elemento que almacene la energía.

• Para llevar a cabo la instalación del sistema, no se requiere de personal calificado, puede ser

instalado de manera rápida en las salidas de lavamanos, lavaplatos, sanitario y lavadora

usando los acoples de entrada.

• Al evaluar la potencia máxima que puede entregar cada micro-hidrogenerador en función de

cada caudal, teniendo como rango el máximo suministrado por la motobomba, se puede

observar que el micro-hidrogenerador trifásico sin regulador puede entregar una potencia

cercana a 2 W con un caudal de 10 L/min, mientras que con regulador sólo 1.5 W; caso

contrario sucede con el micro-hidrogenerador DC, el cual limitó el caudal de la motobomba a

máximo 8.5 L/min, y una potencia que supera levemente un vatio.

• En general gracias al estudio realizado se pudo constatar cual es la salida hidráulica en la

vivienda con el mayor potencial de generación, la ducha puede mantener un nivel de caudal

constante por un periodo de tiempo mayor al de otras salidas, tomando en cuenta que es una

salida hidráulica de uso diario y que tiene relación directa con los habitantes de la vivienda, el

potencial de energía que genera es el mayor, pero no suficiente para almacenar energía que

pueda ser utilizada en pequeños dispositivos, lo que deja que su potencial puede aumentar si

el número de personas en la vivienda es mayor.

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• El uso de estos micro-hidrogeneradores puede ser más eficiente si se utilizan en salidas de

lugares que tengan un caudal y frecuencia de uso mayor, tal como centros comerciales,

instituciones educativas, baños públicos, y similares.

• Para este estudio resulta viable el proyecto ya que, se está aprovechando el potencial hidráulico de la vivienda para generar electricidad, el tiempo requerido para hacerlo es de 1.18 semanas o 0,29 meses en el mejor de casos que resultó con la salida hidráulica de la ducha en la vivienda 2, sin embargo, es una energía que se desaprovecha y con la implementación de este sistema puede resultar útil.

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7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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https://articulo.mercadolibre.com.co/MCO-445831538-cargador-de-10w-5v-dc-energia-

hidroelectrica-micro-hydro-_JM

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8 ANEXOS

Anexo 1 Configuración de conexión Bluetooth entre el prototipo y el aplicativo

Fuente Elaboración propia

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Anexo 2 Menú de configuración de variables y procesos


73

Anexo 3 Configuración de programa


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ESTUDIO TÉCNICO DE LA INCORPORACIÓN DE MICRO