UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE QUERÉTARO Nombre del proyecto: EVALUACIÓN FOTOTÉRMICA DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN SOLAR Empresa: CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA CICATA-IPN Querétaro Memoria que como parte de los requisitos para obtener el título de TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES ÁREA ENERGÍA SOLAR Presenta: RAMÍREZ FRÍAS SANTIAGO JACOB Asesor de la UTEQ Asesor de la Organización M. en A. Isela Prado Rebolledo Dr. Gonzalo Alonso Ramos López Santiago de Querétaro, Qro., octubre del

2 RESUMEN El siguiente reporte se realizó en el centro de investigación en ciencia aplicada y tecnología avanzada de Querétaro (CICATA-IPN Querétaro) dando continuación a un trabajo realizado dentro del instituto, para quede esta forma el lector pueda familiarizarse de manera rápida y sencilla con los métodos aplicados y el funcionamiento de la fibra óptica. El objetivo de este trabajo fue la optimización, evaluación y diseño de un arreglo de filtros espectrales para su acoplamiento con la fibra óptica, aumentando la energía luminosa que es transmitida por la misma, disminuyendo su temperatura. La metodología utilizada en este proyecto se divide en 4 pruebas, en las cuales el resultado que se determinó fue el espacio libre para el montaje del sistema que sostendrá la fibra óptica. Como conclusión, se determinó que el tiempo establecido para la realización del proyecto de investigación fue insuficiente, sin embargo con las pruebas realizadas se obtuvo un gran avance para futuras experimentaciones. (Palabras clave: Fibra óptica, Diseño, Energía luminosa) 2

3 DESCRIPTION In my project, I do internship in the Research Center in Applied Science and Advanced Technology (CICATA-IPN Queretaro), which is an institution dedicated to the development of scientific and technological projects. Currently I am in the Alternative Energy Area with Dr. Gonzalo Alonso Ramos López who is a responsible, calm and charismatic person. He is tall, his hair is short and grey, his eyes are brown. Santiago Jacob Ramírez Frias 3

4 DEDICATORIAS Dedico este trabajo a mis padres, por su comprensión en todo momento. Han sido para mí un gran ejemplo a seguir de superación, humildad, honradez y respeto. Les debo todo lo que soy como persona. 4

5 AGRADECIMIENTOS dirección. A mi asesor de estadía el Dr. Gonzalo Alonso Ramos López, por su gran En especial a David Alejandro Pérez Márquez, por su gran apoyo, los conocimientos brindados, y su disponibilidad, para lograr la realización de este trabajo. A todos mis profesores de la Universidad, por su apoyo, confianza y conocimientos transmitidos. Al CICATA-IPN Querétaro, por el apoyo otorgado. A mis compañeros y amigos. Muchas gracias. 5

6 ÍNDICE Resumen... 2 Description Dedicatorias.. 4 Agradecimiento Índice.. 6 I. INTRODUCCIÓN II. ANTECEDENTES III. JUSTIFICACIÓN IV. OBJETIVOS V. ALCANCE VI. ANÁLISIS DE RIESGOS VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA VIII. PLAN DE ACTIVIDADES IX. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS.. 45 X. DESARROLLO DEL PROYECTO XI. RESULTADOS OBTENIDOS XII. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.. 62 XIII. ANEXOS 64 XIV. BIBLIOGRAFÍA. 66 6

7 I. INTRODUCCIÓN El presente reporte de investigación, se basa en la propuesta de estudio sobre la técnica de iluminación por medio de fibra óptica a base de energía solar, para la distribución de luz natural. La idea de transmitir información por medio de ondas luminosas tiene siglos de antigüedad. De hecho, el clásico heliógrafo (telégrafo óptico de luz solar) y la transmisión de mensajes por antorchas responden a esa idea. CICATA-IPN El Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional (CICATA-IPN) Querétaro, es un centro de investigación científico y tecnológico, concebido para servir de enlace entre la comunidad científica y los sectores productivos de bienes y servicios, para atenderlos y ofrecerles soluciones a sus problemas de desarrollo. Para el cumplimiento de este objetivo, CICATA Querétaro desarrolla programas de investigación científica y tecnológica con un enfoque interdisciplinario y, de igual forma, atiende la formación de recursos humanos 7

8 de alto nivel contribuyendo decisivamente al fortalecimiento de la calidad y la competitividad nacional e internacional del aparato productivo en México. Misión El CICATA-IPN Querétaro atiende necesidades de desarrollo tecnológico en sus ámbitos de competencia, realizando proyectos vinculados con los sectores productivo y social que incrementen su competitividad, en los que se forman recursos humanos. ( CICATA-IPN, 5 de junio de 2013). Visión CICATA-IPN Querétaro es el líder a nivel regional en su campo de acción, mediante la realización de proyectos de desarrollo tecnológico que satisfacen las necesidades del entorno y permiten la formación de recursos humanos de competencia internacional. Objetivo Servir de enlace entre la comunidad científica y los sectores productivos de bienes y servicios, atenderlos y ofrecerles soluciones a sus problemas de desarrollo. Para el cumplimiento de este objetivo, CICATA Querétaro desarrolla 8

9 programas de investigación científica, tecnológica e innovación con un enfoque interdisciplinario, y asimismo atiende la formación de capital humano de alto nivel, contribuyendo decisivamente al fortalecimiento de la calidad y la competitividad del aparato productivo mexicano. 9

10 II. ANTECEDENTES Usar fibra óptica para transmitir luz desde una fuente remota, fue una de las primeras aplicaciones de esta tecnología, comúnmente asociada con el rubro de las telecomunicaciones. Sin embargo, desde los años 90, su uso en este tipo de aplicaciones ha crecido explosivamente. Actualmente, la fibra óptica se está transformando en una alternativa muy recurrida por los diseñadores de iluminación y arquitectos. La gran novedad aportada en nuestra época es la de haber conseguido domar la luz, de modo que sea posible que se propague dentro de un cable tendido por el hombre. El uso de la luz guiada, de modo que no se disperse en todas direcciones, sino en una muy concreta y predefinida se ha conseguido mediante la fibra óptica, que se puede pensar como un conducto de vidrio -fibra de vidrio ultra delgada- protegida por un material aislante que sirve para transportar la señal lumínica de un punto a otro. Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos. El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. 10

11 El empleo de fibras de vidrio como medio guía no tardó en resultar atractivo: tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y costo. En concreto, las fibras de vidrio permitían guiar la luz mediante múltiples reflexiones internas de los rayos luminosos, sin embargo, en un principio presentaban elevadas atenuaciones. Hoy en día, la fabricación de fibra óptica es un proceso de alta tecnología. Tengamos en cuenta que el grosor estándar de la fibra es 125 micras (aproximadamente el doble que un cabello humano) y el núcleo es de unas 8 micras (en fibras monómodo, que son las usadas para iluminación y comunicaciones a larga distancia). Y evidentemente, es crítico mantener la pureza y la regularidad del núcleo. Su bajo consumo de energía eléctrica, cero emisión de calor y radiación, la han transformado en una alternativa muy atractiva para diversas aplicaciones, como iluminar alimentos congelados en refrigeradores de supermercados o piezas históricas en museos. Por sus características seguras, también se ha convertido en una fuente de iluminación para ambientes industriales, agresivos e incluso explosivos. 11

12 III. JUSTIFICACIÓN La problemática de generación de energía para uso de iluminación de interiores y la quema de hidrocarburos ha dado paso a buscar nuevos métodos para solucionar dicho problema. La energía solar como fuente renovable, abundante y poco prejuiciosa para el medio ambiente, es una manera viable de obtener grandes beneficios sin la necesidad de generar tantos desechos industriales y de gases de efecto invernadero; como el CO 2. El Sol nos ofrece cada día una inmensa cantidad de energía que debemos recoger para reducir con ello la dependencia de los combustibles de origen fósil. El siguiente dato da una idea clara de lo que podemos conseguir: Cada m 2 de placa captadora solar con fines energéticos, evita la emisión anual a la atmósfera de 350 Kg de CO 2 (Tomas Perales, 2008). Son muchas las características beneficiosas que se le atribuyen a la energía solar hoy en día, tales como: Completamente renovable e inagotable. 12

13 Es capaz de cubrir las necesidades energéticas, sin tener que utilizar recursos naturales agotables. largo plazo. Ahorro económicamente alto en el consumo de energía eléctrica a 13

14 IV. OBJETIVO Objetivo General Diseñar, evaluar y optimizar un arreglo de filtros espectrales para el acoplamiento de fibra óptica, en un sistema de iluminación solar, que permitan disminuir la temperatura y aumentar la energía luminosa transmitida por la fibra. Objetivos Específicos Utilizar filtros ultravioletas para determinar si así la fibra óptica transmite luminosidad con mayor eficacia y reduce su desgaste por esta radiación. Bloquear la radiación solar incidente sobre la fibra óptica. Optimizar el espectro de radiación. 14

15 V. ALCANCE A partir de este experimento se pretende optimizar la luz visible que atraviesa la fibra óptica, haciendo un rediseño de una base para la colocación de un sistema que permita fijar la fibra óptica y obtener una mayor eficiencia. Una vez realizado este proyecto, debido a la pureza y transparencia de de la fibra óptica, permite iluminar zonas especiales sometidas a toxicidades, riesgos de incendio, etc., como las siguientes: Industrias petrolíferas: debido al alto riesgo que se corre en las zonas petroleras, en especial las plataformas de crudo. Un sistema de iluminación que no genere calor y sobre todo no haga un corto circuito; la fibra óptica destaca por estas especificaciones. Explotaciones mineras: dentro de las minas siempre se encuentra un riesgo latente de una explosión si algún circuito eléctrico falla y expulsa chispas, podrían entrar en contacto con gases subterráneos y causar grandes daños. 15

16 Industrias mineras de altos componentes inflamables: muchos minerales que son extraídos de minas, reaccionan con muy poco calor, por lo que es muy importante tener medios aislados de iluminación eléctrica. Museos: Las pinturas que se ubican dentro de museos son muy susceptibles a cambios por la exposición prolongada a luces cálidas/blancas, debido a que la radiación ultra violeta es la principal causa del deterioro de las mismas, con un sistema de iluminación por fibra óptica y sus filtros correspondientes, la vida de las obras se puede prolongar mucho más. 16

17 VI. ANÁLISIS DE RIESGOS Se han analizado los posibles riesgos que pueden retrasar el desarrollo eficiente de este proyecto, tales como: Fragilidad de la fibra. Al ser de vidrio y no tan flexible, es sumamente delgada y muy propensa a roturas o quiebres. Costos de adquisición. El costo de la fibra óptica y sus debidos filtros espectrales, tienen un elevado precio en el mercado; ya que su compra es en dólares. Imperfecciones de la guía (pérdidas por dobleces). Una mala colocación de la fibra puede ocasionar un doblez, facilitando pérdidas luminosas o roturas. Longitud de la fibra. Al ser un material muy frágil, se dificulta el que sea tan larga, al ser de vidrio no es recomendable que sea muy larga (50 cm). 17

18 Tiempo de entrega de los filtros espectrales (modelos: A86-490, A86-497, A86-489, A86-496, A62-974, A49-024); debido a que se solicitó la compra a USA. 18

19 VII. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El Sol El Sol es la fuente de energía de nuestro planeta. La estrella que calienta la tierra y que dio lugar a la vida. Se comporta como un potente reactor nuclear de fusión que produce anualmente una energía en forma de radiación electromagnética de 5,4 X J y de condición renovable para nosotros, que medimos pequeños espacios de tiempo comparados con los del Sol (se agotará algún día, pero nosotros no lo veremos). Tal cantidad de energía corresponde a 4,500 veces a la que se consume en el mundo en el mismo periodo, lo que da idea de su magnitud y de lo que podemos aprovechar mediante captadores de esta radiación (Tomas Perales, 2008). Nos separa del Sol una distancia de 150 millones de kilómetros, aproximadamente, de la cual obtenemos 1,376 watts por metro cuadrado. Tal valor se ve a su vez afectado por la atenuación de la capa atmosférica y sus componentes, con los que la energía útil que es posible recoger sobre la superficie terrestre es de aproximadamente 1000 W/m 2 (1 kw/m 2 ) (Tomas Perales, 2008). Es, por tanto, esa energía nuestra fuente energética natural para la que continuamente se están encontrando nuevas formas de aprovechamiento dentro de la actividad humana cotidiana, siendo una de las más importantes en 19

20 este momento la iluminación, para reducir la dependencia de los combustibles fósiles que tanto degradan nuestro medio ambiente (Tomas Perales, 2008). FUENTE: (J. A. Manrique 2002). Ilustración 1. Espectro de radiación solar El espectro electromagnético es el rango de todas las radiaciones electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética de ese objeto. Tal como se puede observar en la ilustración 1, el espectro electromagnético emitido por el sol corresponde a la curva de radiación extraterrestre, el cual a su vez se aproxima a un cuerpo negro a 5,500 K (J. A. Manrique, 2002). 20

21 Como puede observarse en la ilustración anterior, el agua tiene un efecto muy importante sobre la radiación solar a nivel del mar. Además, cuando los días son nublados, esta radiación se ve enormemente reducida en todas las longitudes de onda. Para que sea posible la cuantificación de la radiación total sobre la tierra se utiliza el Watt por metro cuadrado (Wh/m 2 ), (Duffie, 1980). En la ilustración siguiente, se muestran las longitudes de onda que son abarcadas por el espectro solar, desde el infrarrojo, luz visible y ultravioleta. FUENTE: (J. A. Manrique 2002). Ilustración 2. Regiones del espectro electromagnético donde se muestra a detalle el espectro solar 21

22 Constante solar La constante solar se considera la cantidad de energía por unidad de tiempo y área que alcanza la atmósfera terrestre sobre una superficie normal al sol. Su valor es de 1,376 watts por metro cuadrado de superficie. Sin embargo, la atmósfera la atenúa, tal como se ha indicado, por efecto de las reflexiones sobre las nubes y por la absorción al atravesar las moléculas de aire, el ozono, el vapor de agua, etc., con lo que el vapor práctico que se toma para los cálculos de las instalaciones solares térmicas sobre la superficie terrestre es de 1kW/m 2, valor que, no obstante, sufre otros decrementos por otras condiciones. Para cuantificar la radiación solar recibida por el sol se emplean cotidianamente dos unidades que la definen en forma de potencia (W) o de energía (J). Éstas son: Irradiancia: Define este termino la potencia correspondiente al valor de la radiación sobre la superficie. Se expresa como W/m 2. Irradiación: Define el valor de la energía, ya que corresponde a la radiación sobre una superficie dada y durante un periodo de tiempo determinado. Se expresa como Wh/m 2 o bien en J/m 2, que es la notación mas empleada. 22

23 Se puede establecer una equivalencia entre las expresiones que definen la radiación solar en potencia y en energía. Así, empleando las expresiones más cotidianas de kilovatio (kw) y megajulio (MJ). La radiación solar no es constante en toda la franja diurna (Tomás Perales, 2008). Intervienen factores tales como el estado momentáneo de la atmósfera, la hora del día y la estación del año. Así, la indicada cantidad de irradiación solar de 1 kw/m 2 sobre la superficie terrestre se da solo en la condición de día completamente despejado y al medio día. Aprovechamiento De La Energía Solar La disponibilidad de este recurso en el mundo, se ha convertido en un problema, debido a que la gran mayoría de los países industrializados o los que están en pleno desarrollo, se ven afectados por la incesante demanda energética para satisfacer sus necesidades sociales y económicas. La radiación solar además de proporcionar luz, también se transforma en biomasa por medio del efecto de la fotosíntesis, en viento por los gradientes 23

24 térmicos que se producen en la atmósfera o en energía hidráulica por la evaporación de los mares. (Rafael Cuervo García, 2009). "Desde hace algunos años, se ha dado paso a que la sostenibilidad energética en un futuro vendrá dada por el uso de las energías renovables" (Javier M. Méndez Muñiz, 2007). En la siguiente ilustración se muestra un mapa de soleamiento o insolación para la república Mexicana y cada una de las líneas, corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiación. FUENTE: (Instituto de investigaciones eléctricas, 2013). Ilustración 3. Mapa de radiación solar diaria en la Republica Mexicana 24

25 El sol es una fuente de recurso inagotable para el hombre, es limpia, bastante abundante y esta disponible en la mayoría de la superficie terrestre. Pese al gran avance tecnológico de los últimos tiempos, el aprovechamiento solar ha sido muy insignificante si se le compara con el consumo mundial de energía. Los problemas más usuales para el aprovechamiento de esta energía son los siguientes: Variación en el tiempo de la intensidad de la radiación solar. Inconsistente dispersión de la radiación en la superficie de la tierra. La radiación solar recibida sobre una superficie horizontal es de 1 kw/m 2 al medio día solar, la cual varía según la declinación, latitud, nubosidad, humedad, entre otros factores, aunque su principal problema es la intermitencia, la cual es mucho más baja en invierno y es cuando más se requiere, de modo que en la mayoría de los casos la disponibilidad no coincide con la demanda. (Néstor Quadri, 2006). Para esto, la mejor forma de aprovechar la radiación solar, es mediante las siguientes formas: Captación y concentración. 25

26 Utilización directa: mediante la incorporación de acristalamientos y otros elementos arquitectónicos. Transformación en calor: es la llamada energía solar térmica, que consiste en el aprovechamiento de la radiación. Transformación en electricidad: es la llamada energía solar fotovoltaica, que permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares. Geometría Solar La geometría solar es uno de los elementos más importantes dentro de los procesos de diseño arquitectónico, debido a que a través del conocimiento del comportamiento de la trayectoria del sol o de los rayos solares, se pude lograr la mejor posición de un objeto. Al modelar cualquier tipo de sistema que se basa en la radiación solar, es importante tomar en cuenta los cambios de estación, la posición del sol cada hora, el ángulo de incidencia de la luz y la posición del sol al momento de decidir la colocación del colector o concentrador. 26

27 La posición del sol puede describirse mediante dos ángulos diferentes. El primero es el azimuth (α-alpha) y el segundo es el ángulo de altitud o elevación (ϕ- phi). Véase la siguiente ilustración. NOTA: los símbolos utilizados en la ilustración son solo de ejemplo. FUENTE: (Instituto de investigaciones eléctricas, 2013). Ilustración 4. Ángulo azimutal y de altitud A continuación se definirán los conceptos para describir la relación geométrica solar (MANRIQUE, 1984) (P. Hinojosa, 2010) (Duffie, 1980). Día Juliano : Es un método para identificar el día actual a través de la cuenta del número de días que han pasado desde una fecha pasada y arbitraria. 27

28 A continuación se muestra la tabla con el día juliano ( ) que corresponde para cada día del año. Tabla No 1. Representación del día juliano MES n para el i-ésimo día del mes Enero i Febrero 31 + i Marzo 59 + i * Abril 90 + i* Mayo i* Junio i* Julio i* Agosto i* Septiembre i* Octubre i* Noviembre i* Diciembre i* Nota: para año bisiesto sumar 1 a las constantes con * FUENTE: (Duffie, 1980). Latitud φ: se define como el ángulo que determina el lugar de interés sobre la tierra, con respecto al plano del Ecuador. Es positivo si se mide respecto al norte y negativo respecto al sur. La declinación δ: define la posición angular del Sol al mediodía solar, (el momento en que el Sol está más alto en el firmamento con respecto al plano del ecuador). Es el índice de alejamiento de norte a sur y depende del día del año (n). Puede calcularse mediante la fórmula: 28

29 δ = sen ) Ángulo horario ω: es igual a cero al mediodía solar y adquiere un valor de 15 de longitud por cada hora, siendo positivo en las mañanas y negativo por las tardes. Así, ω es, por ejemplo, igual a +30 a las 10:00, y ω es igual a -15 a las 13:00 horas. Altura solar α: se define como el ángulo entre la horizontal y la línea del Sol. Se puede calcular mediante: α = sin -1 (cos φ * cos δ * cos ω) + (sen φ *sen δ) Azimut γ: define la desviación de los rayos del Sol con respecto al sur verdadero (se mide con relación al sur): γ = sin -1 (cos δ * ) Haciendo uso de las expresiones anteriores y considerando que al amanecer y al atardecer, la altura solar es cero, puede calcularse el número de horas de asoleamiento diario. Haciendo α=o en la ecuación, se obtiene que: 29

30 ω =cos -1 (-tan φ * tan δ) Véase en la ilustración de continuación, la declinación δ. FUENTE: Censol 5.0 Ilustración 5. Descripción de la declinación solar (δ) Instrumentos de Medición Solar Para poder evaluar el funcionamiento de cualquier sistema de energía solar, es necesario considerar los efectos meteorológicos. Para esto se han desarrollado dos instrumentos de medición de la radiación solar: El piranómetro, para la radiación solar total y el pirheliómetro, para la radiación solar directa. Ambos, son instrumentos que contienen transductores, los cuales entregan en forma de señal eléctrica la radiación solar captada. 30

31 Piranómetro.- Es el más difundido, también llamado "solarímetro o actinómetro, véase la ilustración 6. Este mide la irradiación global, o flujo de radiación en W/m 2 sobre una superficie horizontal. FUENTE: Ilustración 6. Piranómetro Pirheliómetro.- Mide la intensidad de la radiación solar directa. Se trata de un tubo largo que limita los ángulos de aceptación de la radiación y un sensor en el extremo final de éste. Este tipo de instrumento se diseña con un ángulo de aceptación de 1. El sensor se construye con una base de una termopila que tiene forma de disco, es de color negro para absorber toda la radiación incidente. 31

32 En la ilustración 7 se muestra un Pirheliómetro y un esquema de incidencia de la radiación pasando por el tubo hasta llegar a la termopila. FUENTE: (www.direcindustry.es, 2013). Ilustración 7. Pirheliómetro 32

33 Fibra Óptica La fibra óptica es un filamento de vidrio (compuestos de cristales naturales) o plástico (cristales artificiales), por el cual viaja un rayo de luz. La fuente luminosa puede ser solar, láser o un LED. El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia (Hetch,2000). Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al ángulo limite. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. 33

34 La fibra óptica de vidrio al ser fabricada de sílice, tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues presenta un funcionamiento uniforme desde -550 C a +125 C sin degradación de sus características. La fibra óptica es inmune al ruido y las interferencias por ser un medio dieléctrico, característica muy positiva en muchas aplicaciones, sobre todo cuando el cable debe pasar por zonas donde hay instalaciones con mucha contaminación electromagnética. En poco más de 10 años, la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica. 34

35 Constitución de los Cables de Fibra Óptica En general los cables de fibra óptica están compuestos de los siguientes elementos: Fibra óptica: Las fibras ópticas con sus protecciones están dispuestas en una o dos capas concéntricas alrededor de un elemento central en paso de hélice (cambia la dirección del trenzado después de un número determinado de vueltas, cada 90cm aproximadamente), constituyendo el conjunto el núcleo del cable. Elementos de relleno: Generalmente son tubos de material plástico de color negro, similares a los utilizados para albergar las fibras y que se emplean para rellenar los espacios vacíos del núcleo. Compuestos de relleno: El cable está relleno de un compuesto hidrófugo, normalmente petrolato, que se dispondrá en los espacios vacíos del núcleo y entre éste y la cubierta. Cintas de envoltura del núcleo: El núcleo del cable se cubre con una o varias cintas dieléctricas de poliéster o material similar, de espesor suficiente para garantizar la debida protección térmica del núcleo durante el proceso de extrusión de la cubierta del cable. Elemento de refuerzo: Su misión fundamental es proporcionar al cable un elemento apto para soportar la tensión de tiro durante la instalación. Su ubicación en el cable y su composición depende del tipo de cable. 35

36 La constitución de un cable de fibra óptica (véase ilustración 8), y la secuencia de su conformación, son las siguientes: 1) Fibra óptica (conductor), 2) Elementos de relleno, 3) Compuestos de relleno, 4) Cintas de envoltura del núcleo y 5) Elementos de refuerzo FUENTE: (www.fibraopticahoy.com, 2013). Ilustración 8. Constitución de un cable de fibra óptica En los cables metálicos el elemento de refuerzo está constituido por una sirga de acero de 19 hilos. Está situado en la parte central, axial, del cable y está recubierto por una capa de polietileno negro de baja densidad. Sobre este elemento se dispondrán las fibras ópticas, en paso de hélice, formando el conjunto del núcleo del cable. 36

37 En los cables no metálicos o dieléctricos, el elemento de refuerzo está constituido por hilaturas de fibra de aramida, dispuestas en hélice sobre la cubierta interior de polietileno, poliuretano o termoplástico, según el tipo de cable. Los cables dieléctricos tienen un elemento central no metálico que sirve de soporte para posicionar las fibras ópticas y así configurar el núcleo del cable. Tipos de Fibra Óptica La fibra óptica mono-modo (Singlemode): Tiene un núcleo estrecho (8 µ más o menos), el índice de refracción entre el núcleo y los cambios de revestimiento es menos de la que se hacen en las fibras multi-modo. Por lo tanto, la luz se desplaza paralela al eje, creando poca dispersión del pulso. Véase la siguiente ilustración. FUENTE: (Fiber-Optic-Lighting, 2013). Ilustración 9. Fibra óptica Mono-modo 37

38 Fibra Multi-modo (Multimode): En este tipo de fibra viajan varios rayos ópticos, reflejándose a diferentes ángulos como se muestra en la ilustración 10. Los diferentes rayos ópticos recorren diferentes distancias y se desfasan al viajar dentro de la fibra. Por esta razón (véase ilustración 10), la distancia a la que se puede trasmitir esta limitada. FUENTE: (Fiber-Optic-Lighting, 2013). Ilustración 10. Fibra óptica Multi-modo Fibra óptica multi-modo con índice graduado: En este tipo de fibra óptica el núcleo está hecho de varias capas concéntricas de material óptico con diferentes índices de refracción. La propagación de los rayos en este caso siguen un patrón similar al de la ilustración 11. En estas fibras el número de rayos ópticos diferentes que viajan es menor, y por tanto, sufren menos el severo problema de las multi-modo. 38

39 FUENTE: (Fiber-Optic-Lighting, 2013). Ilustración 11. Fibra óptica Multi-modo con índice graduado Ventajas de la Fibra Óptica Ausencia de electricidad y calor, como en los museos (véase la ilustración 12): Esto se debe a que la fibra sólo tiene la capacidad de transmitir los haces de luz además de que la lámpara que ilumina la fibra no está en contacto directo con la misma. FUENTE: (es.made-inchina.com, 2013). Ilustración 12. Iluminación dentro de un museo con fibra óptica 39

40 Se puede cambiar de color la iluminación sin necesidad de cambiar la lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz de cualquier color sin importar el color de la fibra. Con una lámpara se puede hacer una iluminación más amplia por medio de fibra: Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias fibras y colocarlas en diferentes lugares. Véase la ilustración 13. Se puede usar como una guía de onda en aplicaciones médicas o industriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco que no se encuentra en la línea de visión. La fibra óptica se puede emplear como sensor para medir tensiones, temperatura, presión así como otros parámetros. Atractivo visual. Esta tecnología permite lograr además de cambios de colores, efectos de dimerización, destello, parpadeos, combinación con tecnología DMX, etcétera. 40

41 FUENTE: (www.parans.com, 2013). Ilustración 13. Iluminación solar con fibra óptica Desventajas de la Fibra Óptica Fragilidad de las fibras. El costo de instalación es elevado. El costo relativamente alto en comparación con los otros tipos de cable. 41

42 Dificultad de reparar un cable de fibra roto. Disponibilidad limitada de conectores. Filtro óptico Un filtro óptico es un medio que solo permite el paso de luz a través de él, suprimiendo o atenuando la luz restante. Los filtros ópticos más comunes son los filtros de color, es decir, aquellos que solo dejan pasar la luz de una determinada longitud de onda. Si se limitan a atenuar la luz uniformemente en todo el rango de frecuencias se denominan filtros de densidad neutra. Según su procedimiento de acción pueden ser de absorción; si absorben parte de la luz, o bien reflectivos si la reflejan. La atenuación de la señal filtrada se mide mediante la transmitancia óptica del medio filtrante o su inversa, la absorbancia. En la ilustración 14, puede verse un filtro óptico aplicado directamente sobre fibra óptica, mostrando la separación de colores. 42

43 FUENTE: (Bang Teguh Label, 2013). Ilustración 14. Filtro óptico aplicado directamente sobre fibra óptica 43

44 PLAN DE ACTIVIDADES Las actividades realizadas para este proyecto, se pueden consultar en el anexo I. 44

45 VIII. RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS Los materiales y los recursos requeridos para la realización del proyecto, fueron: Recursos Materiales Filtros de densidad neutra. Computadora. Fibra óptica plástica. Lente plana-convexa. Aluminio. Programa Solid Works Porta lentes. Vernier. Maquinaria Fresadora. Prensillas. Taladro. Arco de sierra. Sierra caladora. Esmeril angular. Llaves fijas. Escuadra de talón. Tornillo de banco. Lima. Taladrina o aceite de corte. 45

46 Recursos Humanos Experto en el manejo del programa Solid Works.

47 IX. DESARROLLO DEL PROYECTO Se decidió realizar el proyecto haciendo tres pruebas. Primeramente se hizo la modificación correspondiente al diseño proporcionado por el Dr. Gonzalo A. Ramos López, véase la siguiente fotografía. Fotografía No.1 Diseño base FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013). 47

48 A ese diseño base, se le adaptó una base de aluminio para fijar y centrar las barras que sostendrán la lente plana-convexa. Para ello, se cortó la lámina de aluminio con dimensiones 9x10 cm. Se le hicieron las perforaciones con la fresadora, utilizando una broca de 5/16 para realizar las 3 perforaciones sobre la lámina. La fotografía No.2, muestra el proceso de corte y perforación de la lámina para la fijación de las barras. Fotografía No.2 Proceso de corte y perforación FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013). Se prosiguió a cortar un cuadro de papel milimétrico de 5x5 cm, para colocarlo sobre la base de aluminio, con la finalidad de proyectar sobre él, la imagen de la mancha solar. Véase la fotografía No.3. 48

49 Fotografía No.3 Papel milimétrico FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013). Se continúo con el montaje de la lente plana-convexa. Para realizar la prueba de ajuste y determinar el punto central en la hoja, se hizo la proyección de luz con una lámpara LED de un teléfono celular y se ajustó el papel a la posición requerida. Como puede verse en la siguiente fotografía. 49

50 Fotografía No.4 Proyección de luz. FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013). Prueba 1 Una vez ajustado el equipo, se inició con la primera prueba. Se realizaron las mediciones de concentración de luz, para obtener el área de la mancha solar en el papel. Para ello se registró en la tabla No.2, la distancia focal base-tuerca, distancia focal base-base, el área proyectada y la relación de concentración solar calculada (área de la lente/área proyectada), la cual se muestra en aumento de x en la columna de concentración. 50

51 Relación de concentración (X) Tabla No.2 Área y relación de concentración. Basetuerca Base-base Hora de la Área Relación de concentración fotografía 40 mm mm 01:48 p.m mm mm 01:52 p.m mm mm 01:56 p.m mm mm 02:00 p.m Elaboró: (Santiago Ramírez, 2013). Se tomaron 16 fotografías para captar la proyección de la lente, la cual formó un círculo no perfecto, que en promedio tuvo 0.70 cm 2. Con base en los datos obtenidos se hizo la siguiente gráfica mm mm mm mm Distancia Base - Base lente Elaboró: (Santiago Ramírez, 2013). Gráfica 1. Prueba 1. 51

52 Como puede observarse en la gráfica 1 se tuvo un crecimiento, y no una curvatura que era lo esperado. Esto se debió a que la prueba se realizó en dos días separados. Por tal motivo, se tuvo que hacer una segunda prueba. Prueba 2 Nuevamente se hicieron las mediciones para determinar la relación de concentración solar. Debido a que las condiciones climatológicas eran las óptimas, la mancha solar proyectada por la lente resultó visiblemente mucho mejor al formar una mejor circunferencia. Esto fue debido a que encima de la lente se colocó un filtro de densidad neutra. A esta prueba, se le añadió el uso de una aplicación CamScanner para teléfonos celulares, la cual permite realizar un recorte inteligente y el auto realce de la fotografía, con la finalidad de darle un mejor tratamiento, mejorando totalmente la imagen esperada, que pasa de ser una elipse a ser concretamente un círculo tal cual se muestra en la siguiente fotografía. 52

53 Fotografía No.5 Tratamiento de la imagen. FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013). Como se puede observar, la calidad de la imagen después de ser tratada en el celular, muestra claramente un mejor manejo de la misma. Debido a que es posible incluso visiblemente calcular la distancia del diámetro que la mancha solar proyecta, y con ello determinar su respectiva área. Después de proporcionarle el tratamiento adecuado a cada una de las fotografías, se procedió a utilizar otro software (Klonk Image Measurement), que en este caso ya es de una computadora. Klonk Image Measurement, es un software diseñado específicamente para medir áreas, perímetros y longitudes de imágenes. Con ayuda de este programa, se pudo determinar el área con una exactitud mucho mayor a la que se obtenía calculándola visualmente. 53

54 En la siguiente fotografía, se muestra un ejemplo de como con ayuda del programa, se determinó la longitud establecida para la obtención del área, y el resultado obtenido de la medición. Este procedimiento se aplicó a cada una de las fotografías para obtener su área y poderla tabular en Excel. Fotografía No.6 Medida de área en Klonk Image Measurement. FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013). A continuación se muestra la tabla y las gráficas obtenidas con el área y la relación de concentración solar, obtenidas con esta prueba, las cuales muestran respectivamente el área y la relación de concentración en x obtenidas con anterioridad. 54

55 Tabla 3. Área y relación de concentración. Foto (Santiago) Foto (David) Diámetro aproximado Área (David) Relación de Concentración (David) Área (Santiago) Relación de concentración (Santiago) 16:25:49 16: :32:53 16: :35:53 16:37 Poco más de mm 16:38:56 16: mm aprox. 16:41:15 16:42 2 mm Aprox :43:20 16:44 2 mm Aprox :46:33 16:48 2 mm Aprox :49:24 16: mm Aprox. 16:51:46 16: mm Aprox. 16:54:54 16: :00:29 17: :57:14 16:59 3 mm Aprox :02:33 17:03 4 mm Aprox :05:05 17: mm Aprox. 17:08 17: mm Aprox. 17:10:20 17: mm Aprox. 17:13 17: mm Aprox. 17:16 17:16 5 mm Elaboro: (Santiago Ramírez, 2013). Como se observa en la gráfica 2, el área máxima lograda fue de mm 2 y la mínima de 0.58 mm 2. 55

56 67 mm 66 mm 65 mm 64 mm 63 mm 62 mm 61 mm 60 mm 59 mm 58 mm 57 mm 56 mm 55 mm 54 mm 53 mm 52 mm 51 mm 50 mm Series1 Gráfica 2. Áreas de la mancha solar Series Gráfica 3. Relación de concentración. 56

57 En la gráfica 3, se observa que la concentración máxima alcanzada fue de 2,927.97x y una mínima de 90.62x. Con estos resultados se puede estimar el espacio aproximado que se tendrá libre para la colocación de un diseño que soporte la fibra óptica. Sin embargo, al momento de revisar el diseño, se determinó que debido la lente plana-convexa estaba mal colocada para los requerimientos (de cabeza). Prueba 3 En esta prueba, se iniciaron las mediciones a partir de una altura de 40 mm a una de 34 mm. Nuevamente, se repitió el proceso de las anteriores pruebas, pero con la lente en la posición correcta. Se tomaron un total de 10 fotografías, siendo en esta ocasión el medio ambiente mucho más favorable; debido a que se tuvo un cielo totalmente despejado. Lo que ayudó a que el anillo marcado por la lente plana-convexa no sufriera cambios, ni alteraciones marcadas, como se muestra en la siguiente ilustración. 57

58 FUENTE: (Santiago Ramírez, 2013). Ilustración 15. Medición de área en software Klonk Image Measurement. En la siguiente tabla se muestran las áreas obtenidas y la relación de concentración solar de la prueba. Al igual que en la gráfica 4, en la tabla se incluyen valores que no fueron tomados en las anteriores pruebas, tales como diámetros aproximados visualmente, y los diámetros obtenidos en los ejes X y Y de la proyección de la mancha solar sobre la hoja de papel. 58

59 Tabla 4. Área y relación de concentración 59

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