Control y Automatización del Sistema de Enfoque Térmico de un Robot Desalinizador por Destilación Solar

M. en T. A. Sergio Isai Palomino Resendez1, Ing. Marco Antonio Sandoval Chileño1, Saul Becerril Ortega1, M. en T. A. Yair Lozano Hernández, Ing. Uriel Cedeño Antunez2
1 Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas, UPIITA-IPN,
2Escuela Superior de Cómputo, ESCOM-IPN
spalominor1000@alumno.ipn.mx, marcosandovalChileno@gmail.com, saul_becerril@hotmail.es,  y.ir.lh@hotmail.com, uriel.cedeno34@gmail.com

RESUMEN

En el presente trabajo se muestra el diseño e implementación de un control de posición automático para el sistema de enfoque térmico de un robot desalinizador por destilación solar, con el objetivo de proveer condiciones de operación, suministro energético, seguridad y monitoreo para el proceso. La validación de la propuesta se realiza mediante el análisis de los resultados obtenidos luego de someter a distintas pruebas el sistema con diferentes condiciones climáticas, en las cuales se mide la calidad del agua desalinizada obtenida, así como la integridad de los elementos e instrumentos utilizados.

PALABRAS CLAVES: Control, automatización, sistema solar, desalinizador, visión artificial.

INTRODUCCIÓN

En México, la cantidad de agua dulce es insuficiente para cubrir las necesidades de la población, del total con la que se cuenta, el 27.7% se encuentra contaminada en un grado irreversible o de inutilidad, el 33.2% tiene una calidad aceptable o reversible en caso de estar contaminada, la cual, a través de tratamientos, puede ser utilizada nuevamente en algunos procesos industriales o bien ser dirigida al uso sanitario, en algunos casos particulares puede llegar a ser potable. Finalmente, el 44.1% cuenta con una calidad excelente lo que permite utilizarla en cualquier actividad a excepción del consumo humano directo, ya que debe ser potabilizada con un proceso mínimo [1].

Lo anterior significa que menos del 50% del total debe soportar todos los fines posibles que cubran y satisfagan las necesidades de la población, y a su vez, considerar una disminución constante causada por las condiciones irreversibles de contaminación. Diversas organizaciones proponen técnicas y/o estrategias para el cuidado y recuperación del líquido tales como: concientización de la población, programas ecológicos, tratamiento de aguas residuales, entre otros. Sin embargo, éstas no se concretan plenamente ya que se proyectan por lapsos prolongados, son muy costosas y solo se planean para regiones centrales desfavoreciendo zonas industriales o costeras.

Figura 1. Dispositivo desalinizador pasivo (Adaptada de [7]).
Actualmente, una solución alternativa a la problemática expuesta es la implementación de técnicas de desalinización tales como: ósmosis inversa, ionización y solar, las cuales reportan índices de producción suficientes para  abastecer y satisfacer necesidades básicas como el uso sanitario de una población o bien, para el caso de plantas desalinizadoras, se aporta una cantidad a mayor escala que cubre necesidades de procesos industriales y/o abastecimiento de zonas turísticas, así como la posibilidad de hidratar de zonas afectadas [2] [3]. En particular la desalinización solar, adiciona un beneficio más, pues implica el uso de una fuente de energía limpia como lo es la radiación solar; la cual se presenta de manera natural e inagotable en el medio [5] [6]. Cabe mencionar que este tipo de sistemas se clasifica en dos categorías [3] [4]:

  • Pasivo: se refiere a un dispositivo genérico construido con un conjunto de elementos de fácil acceso y bajo costo, los cuales se exponen de forma directa a los rayos solares y cumplen de forma natural el proceso de desalinización. La cantidad de agua que logra producir depende directamente de sus dimensiones y las condiciones climáticas. Algunas propuestas reportan una producción de hasta 20 litros de agua por día [7] [8] (ver figura 1).
  • Activo: se refiere a un dispositivo capaz de acelerar el proceso de desalinización mediante la utilización de fuentes alimentación térmica e instrumentación alternativas las cuales son alimentadas a través de la transformación y/o concentración de la energía solar como es el caso de paneles fotovoltaicos, superficies reflejantes, lentes de Fresnel, entre otros.Esta configuración supera la producción del tipo pasivo, reportando en algunas de sus versiones industriales más simples, desde 100 litros de agua al día [9] [10] (ver figura 2).

 

Figura 2. Dispositivos desalinizadores activos. a) Adaptada de [10]. b) Adaptada de [11]. c) Adaptada de [12].
Adicionalmente, los sistemas activos también pueden ser considerados como sistemas híbridos ya que combinan diversas tecnologías para llevar a cabo el proceso de destilación en su totalidad o de forma particular en alguna de las etapas que lo componen. Normalmente dichos sistemas emplean técnicas de automatización mediante equipos industriales [13]. Es importante mencionar que un sistema de este tipo debe producir una cantidad viable de agua dulce que supere los métodos tradicionales con base en la relación costo-beneficio, ya que, en caso contrario, se vuelve poco rentable [3].

Algunos trabajos reportados como [10] [12] [14] proponen la integración de sistemas seguidores solares (pasivos y activos [15]) para transformar la energía solar en energía eléctrica por medio de paneles solares los cuales alimentan resistencias eléctricas que al estar en contacto con el agua permiten alcanzar el punto de ebullición más rápido. Sin embargo, puede notarse que en estos casos la energía que consumen las resistencias, así como la instrumentación asociada supera la capacidad de producción del sistema de tal forma que la propuesta se vuelve inconsistente con la relación costo-beneficio.

Figura 3. Robot desalinizador.

Por otra parte, en las propuestas [4] [11] [12] se muestra la integración de superficies reflejantes en dispositivos pasivos los cuales permiten potenciar la intensidad de la radiación solar en los contenedores donde se lleva a cabo el proceso mejorando la capacidad de producción. Sin embargo, su funcionamiento se encuentra limitado pues a pesar de que los elementos y materiales a emplear son de fácil acceso y de bajo costo, en la mayoría de los casos al estar expuestos a la intemperie las superficies pueden empañarse fácilmente y con ello perder sus propiedades, de esta forma se deben considerar etapas de mantenimiento continuo que agregan costos e instrumentación innecesarios, los cuales luego de la puesta en marcha disminuyen su rentabilidad.

En [12], se reporta un conjunto de aplicaciones para lentes de Fresnel, incorporadas a seguidores solares. Un caso particular es el proceso de calentamiento de agua para uso sanitario. Cabe notar que este dispositivo supone una incidencia ideal del punto focal (lugar donde se concentra la mayor temperatura provocada por la lente), así como una distancia constante entre la lente y el intercambiador de calor que implementa para transferir la temperatura al líquido (mejor conocida como distancia focal) [16]. Sin embargo, durante la puesta en marcha es natural que existan desviaciones en la incidencia y cambios en la distancia focal provocados por defectos de la lente, la resolución de los elementos y/o mecanismos empleados, así como las condiciones ambientales, lo que provoca pérdidas energéticas y a su vez presenta desviaciones del punto focal poniendo en riesgo la estructura e instrumentación que componen al sistema.

Figura 4. Robot desalinizador.

Puede notarse, que de acuerdo a los costos e índices de producción de energética, la implementación de este tipo de sistemas es viable en procesos de desalinización, ya que lograrían satisfacer la relación costo-beneficio, además de evitar las problemáticas asociadas a otras alternativas. Sin embargo, en la literatura se reporta que solo se implementan para casos de tipo industrial, a través de la implementación de sistemas de control e instrumentación especializada, manteniendo la rentabilidad en términos de producción ya que una de las razones por las que se limita este tipo de diseños es la complejidad que involucra controlar una imagen térmica.

Es por ello que en esta propuesta se propone la implementación de una estrategia de control de enfoque para un robot desalinizador que adiciona un sistema de visión artificial [17], el cual permite monitorear la imagen térmica en el exterior del contenedor donde se lleva a cabo el proceso asegurando su integridad, y a su vez, mantener las condiciones de operación en el interior del mismo, a través de la inclusión de un sensor de temperatura (termopar), presentando así una posible solución a las problemáticas expuestas en general y  reduciendo costos e instrumentación.

Figura 5. Esquema de funcionamiento.

DESCRIPCIÓN DEL ROBOT

El robot utilizado se compone de tres Grados de Libertad (GDL) en cadena cinemática abierta (ver figura 3). Donde los primeros dos corresponden a la configuración general de un sistema seguidor solar de dos ejes [18], los cuales orientan hacia el sol las superficies de los paneles fotovoltaicos y lente de Fresnel, con el objetivo de captación y transformación energía solar en energía eléctrica empleada para dar autonomía al robot y energía térmica para realizar el proceso de desalinización. El tercer grado de libertad se localiza en el centro de la estructura y se encarga del enfoque térmico.

DESACOPLE DEL ROBOT

Figura 6. Punto focal desviado.

El sistema seguidor solar y de enfoque térmico están desacoplados, ya que el seguimiento solar se desarrolla de forma independiente al objetivo de enfoque, aunque es evidente que este último depende del primero. Actualmente, el robot cuenta con la implementación de un sistema de control de planeación y seguimiento de trayectorias solares [19] [20]. En la figura 4 se muestra el proceso de desacople sobre un esquema gráfico equivalente del robot.

DESCRIPCION DE FUNCIONAMIENTO Y PROBLEMÁTICA

El proceso de desalinización, se realiza a través del calentamiento de un intercambiador de calor localizado en el centro e interior de un contendedor, sobre el cual incide el punto focal. Luego, el líquido entra en contacto con este elemento y se eleva su temperatura hasta el punto de ebullición. Finalmente, la solución desalinizada se recupera a través de condensación (ver figura 5).

Figura 7. Sistema de enfoque térmico.

La lente con la que se cuenta en condiciones favorables (días soleados y despejados) logra producir en el punto focal hasta 600 °C, valor que supera la cota de operación del proceso, ya que el agua requiere como mínimo 96°C en la ciudad de México para llegar al punto de ebullición y se limita a un máximo de 374°C en relación a la temperatura critica que puede soportar el agua.

Por otra parte, si el posicionamiento de la lente acarrea errores provocados por la resolución de los elementos del sistema de seguimiento solar, así como defectos, el punto focal se dirigirá a otro sitio poniendo en riesgo la integridad de los elementos (ver figura 6).

MODELADO DINÁMICO DEL ACTUADOR Y CONTROL

Luego de realizar el desacople de los sistemas, el problema puede verse como un control de posicionamiento de un robot de un grado de libertad, el cual consiste en un desplazamiento lineal a través del acoplamiento de un motor de CD con un husillo, como puede verse en la figura 7.

Así, el modelo matemático puede expresarse utilizando la relación de un motor de CD resultante del análisis por juntas independientes [21].

Donde: J>0 es la inercia efectiva, B>0 es el termino de fricción. Luego, q(t)  representa la posición vertical del intercambiador de calor, u(t) la entrada de control y d una constante de perturbación que considera dinámicas no modeladas y efectos del exterior.

Para dicho modelo se propone una ley de control de tipo PID pre alimentado con la siguiente dinámica [22].

Donde: q*(t) representa la posición desea del intercambiador de calor.

CONSTRUCCIÓN DE LA POSICIÓN DESEADA

Como primer paso se estable la cota de temperatura suponiendo una incidencia directa sobre el área de intereses. Cabe mencionar que una manera de variar la temperatura del punto focal es a través del crecimiento de su diámetro. Así, la acción de control se establece como un desplazamiento que varía la distancia focal en función de la temperatura, y se expresa mediante la siguiente relación.

tal que

Figura 8. Termopar.

Donde: T representa la temperatura medida dentro del contenedor a través de un termopar instalado junto al intercambiador de calor (ver figura 8).

Figura 9. Cámara web.

Luego, la cota de seguridad se construye mediante el uso de visión artificial, proponiendo un monitoreo de la superficie del contendedor a través del y procesamiento digital de imágenes adquiridas por una cámara web instalada sobre la estructura del robot (ver figura 9).

Así, en caso de existir incidencia fuera del área de interés el contenedor será desplazado hasta una zona segura. Lo anterior se logra mediante el cálculo de los momentos invariantes de Hu [23] sobre la forma de la superficie del contenedor (ver figura 10), los cuales en caso de cambiar actúan sobre la posición deseada con la siguiente relación.

con

  • D(Hu) = −1, cuando existe incidencia del punto focal fuera del área de interés.
  • D(Hu) = 0, cuando el punto focal está dentro del área de interés.

Finalmente, mediante el entorno de Matlab-Simulink y utilizando el toolbox de waijung se genera el programa que es ejecutado por el mocrocontrolador STM32F4-Discovery, el cual que provee al control con q*(t) conforme al cruce admisible de operación dentro de los límites que cada cota propone, así como el sistema de conmutación necesario para dar jerarquía conforme a las necesidades.

Figura 10. Monitoreo y procesamiento digital del área de interés.

VALIDACIÓN DEL CONTROLADOR

Para validar el sistema, se propuso una serie de pruebas que iniciaron a la misma hora cada día y concluyeron hasta obtener 500 ml de solución desalinizada. Para cada una se midieron parámetros asociados a la calidad del agua obtenida: salinidad (S) dada en gramos sobre litro (g/l), densidad (D) dada en gramos sobre mililitro (g/l), tiempo de espera medido en minutos (min), la temperatura ambiente (TA) y condiciones ambientales. Adicionalmente se verifica si el contenedor sufrió daños o quemaduras.

Tabla 1. Resultados experimentales.

CONCLUSIONES

Se implementó un controlador de enfoque térmico utilizando las cotas por temperatura y seguridad, mostrando que el sistema es capaz de obtener una solución desalinizada sin poner en riesgo la estructura del proceso y a su vez mantener una temperatura dentro de la cota establecida. Lo anterior, aprovechando la mayor cantidad de radiación solar disponible a pesar de las condiciones ambientales, lo que comprueba que un sistema de este tipo resuelve las problemáticas relacionadas con configuraciones clásicas. Finalmente, como trabajo futuro se propone un ajuste de la cota de seguridad, debido a que en casos de días soleados con alta irradiación el punto focal, éste logra radiar calor fuera de su diámetro lo que puede provocar leves quemaduras cuando se encuentra cerca de los bordes del vidrio que protege el intercambiador de calor.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo recibido por parte del programa de becas  BEIFI del IPN con números de proyectos 20181665 y 20181146. Adicionalmente, se agradece al CONACYT por el apoyo a través del Programa: Proyectos de desarrollo científico para atender problemas nacionales 2018.

REFERENCIAS

[1] Consejo Consultivo del Agua A.C., “Situación y contexto de la problemática del agua en México,” http://www.aguas.org.mx (última consulta: 26 de febrero de 2018).

[2] F. Suárez de Castro (1980). Conservación de suelos (No. IICA-LME 37). IICA, San José (Costa Rica).

[3] Ministerio de Sanidad y Política Social, “Guía de desalación: aspectos técnicos y sanitarios en la producción de agua de consumo humano,” Gobierno de España, Madrid., Tech. Rep., 2009.

[4] N. Tiwari and L Sahota. Review on the energy and economic efficiencies of passive and active solar distillation systems. Desalination, 401, 151-179, 2017.

[5] Instituto de Geofísica UNAM, “El sol,” http://www.geofisica.unam.mx (última consulta: 26 de febrero de 2018).

[6] UNAM, “El sol, nuestra estrella,” http://www.revista.unam.mx/vol.10/num10/art67/int67-1.htm (última consulta: 26 de febrero de 2018).

[7] Centro de Estudios en Medio Ambiente y Energías Renovables, http://www.cemaer.org (última consulta: 26 de febrero de 2018).

[8] G. Diamanti, “Ecoosfera: Un simple y bello horno hace potable el agua salada,” http://ecoosfera.com (última consulta: 26 de febrero de 2018).

[9] Federación Nacional de Agua Potable Rural, “Plantas solares serán capaces de generar 100 megavatios y funcionar como desalinizadora de agua,” http://aprchile.bligoo.com (última consulta: 26 de febrero de 2018).

[10] H. Elasaad, A. Bilton, L. Kelley, O. Duayhe, y S. Dubowsky, “Field evaluation of a community scale solar powered water purification technology: A case study of a remote mexican community application,” Desalination, vol. 375, pp. 71–80, 2015.

[11] Farooqui, S. Z. Angular optimization of dual booster mirror solar cookers–tracking free experiments with three different aspect ratios. Solar Energy, 114, 337-348, 2015.

[12] W. Xie, Y. Dai, R. Wang, y K. Sumathy, “Concentrated solar energy applications using fresnel lenses: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, no. 6, pp. 2588–2606, 2011.

[13] I. Eames, G. Maidment, y A. Lalzad, “A theoretical and experimental investigation of a small-scale solar-powered barometric desalination system,” Applied Thermal Engineering, vol. 27, no. 11, pp. 1951– 1959, 2007.

[14] R. Simón-Fermosell, “Nuevos proyectos con energía solar fotovoltaica para la obtención de agua dulce en américa latina,” http://www.suelosolar.com/newsolares/newsol.asp?id=8435 (última consulta: 26 de febrero de 2018).

[15] S. Palomino-Resendiz, D. Flores-Hernández, N. Lozada-Castillo, A. Luviano-Juárez, y I. Chairez, Mecatrónica y Robótica de Servicio: Teoría y Aplicaciones. Asociación Mecicana de Mecatrónica A.C., 2016, ch. Control por par calculado para un seguidor solar de dos grados de libertad, pp. 98–110, iSBN = 978-607-9394-06-6.

[16] R. Leutz y A. Suzuki, Nonimaging Fresnel lenses: design and performance of solar concentrators. Springer, 2012, vol. 83.

[17] P. Corke, Robotics, vision and control: fundamental algorithms in MATLAB. Springer, 2011, vol. 73.

[18] G. Prinsloo y R. Dobson, Solar tracking. SolarBooks, 2015. [16] S. Palomino-Resendiz, D.

[19] Flores-Hernández, N. Lozada-Castillo, A. Luviano-Juárez, y I. Chairez, Mecatrónica y Robótica de Servicio: Teoría y Aplicaciones. Asociación Mecicana de Mecatrónica A.C., 2016, ch. Control por par calculado para un seguidor solar de dos grados de libertad, pp. 98–110, iSBN = 978-607-9394-06-6.

[20] S. Palomino-Resendiz, Controlador en tareas de seguimiento de trayectoria para un desalinizador por destilación solar. UPIITA – IPN, 2017.

[21]. M. Spong, S. Hutchinson, y M. Vidyasagar, Robot modeling and control. Wiley New York, 2006, vol. 3.

[22]. K. Åström y T. Hagglund, Control PID avanzado. Pearson, Madrid, 2009.

[23] R. Gonzalez y R. Woods, Digital image processing. Prentice hall Upper Saddle River, NJ:, 2002.

ACERCA DEL AUTOR

Sergio Isai Palomino Resendiz, egresado de la ESIME Unidad Zacatenco de la carrera de Ingeniería en Comunicaciones y Eléctronica, con Maestría en Tecnología Avanzada en la UPIITA-IPN. Se encuentra realizando su doctorado en esta última institución bajo la dirección del Dr. Alberto Luviano Juárez y la Dra. Norma Beatriz Lozada. Sus áreas de interés son el desarrollo y estudio de sistemas de producción energética fotovoltaicos y térmicos.

Marco Antonio Sandoval Chileño, egresado de la carrera de Ingeniería Mecatrónica de la UPIITA-IPN. Actualmente, se encuentra realizando sus estudios de posgrado en el programa de la Maestría en Tecnología Avanzada en la UPIITA-IPN bajo la dirección del Dr. Alberto Luviano Juárez y el Dr. Oscar Octavio Gutiérrez Frías. Sus áreas de interés de interés son el desarrollo y estudio de: sistemas aeroespaciales, sistemas móviles autónomos.

Saúl Becerril Ortega, egresado del Centro Estudios Científicos y Tecnológicos No. 9 Juan de Dios Bátiz. Actualmente, realiza sus estudios superiores en la UPIITA-IPN en la carrera de Ingeniería Mecatrónica. Sus áreas de interés son el desarrollo y estudio de sistemas aeroespaciales.

 

Yair Lozano-Hernández, egresado de la ESIME-IPN Unidad Zacatenco de la Ingeniería en Control y Automatización, con Maestría en Tecnología Avanzada de la UPIITA-IPN. Actualmente, estudia su doctorado en Ingeniería de Sistemas Robóticos y Mecatrónicos en la UPIITA-IPN bajo la dirección del Dr. Oscar Octavio Gutiérrez Frías y el Dr. Alberto Luviano Juárez. Sus áreas de interés de interés son el desarrollo y estudio de vehículos aéreos autónomos así como sistemas de automatización industrial.

Uriel Cedeño Antunez, egresado Centro Estudios Científicos y Tecnológicos No. 9 Juan de Dios Bátiz, realizó sus estudios de Ingeniería en Biónica en la UPIITA-IPN. Actualmente, se encuentra realizando su posgrado en el programa de Maestría en ciencias en la ESCOM-IPN bajo la supervisión de la Dra. Blanca Esther Carvajal Gámez. Sus áreas de interés son el desarrollo y estudio de sistemas embebidos y en tiempo real para modelos biológicos, así como diseño digital de controles robóticos.

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