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viernes, 1 de septiembre de 2023

Novedosa herramienta predice comportamiento de suelos residuales

 En la actualidad es difícil predecir con exactitud cómo se comportará un suelo residual, es decir aquel que se forma cuando la roca sufre un proceso de degradación en sitio dando lugar a la formación de suelo. El modelo Hypoplastic Clay permite saber si es adecuado trabajar en este tipo de materiales o si existe riesgo de colapso, deslizamientos, o deformaciones, entre otros fenómenos.

“Los suelos residuales se diferencian de los sedimentarios porque los segundos se dan por acumulación de materiales, bien sea por deslizamientos, transporte fluvial o glaciaciones”, explica Daniel Fernando Valencia Cifuentes, magíster en Ingeniería - Geotecnia de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín.

El comportamiento de este material dependerá de sus características físicas y resistencias particulares. “Como en el país no existe una herramienta para predecir este comportamiento específico –como sí las hay para predecir el de suelos sedimentarios–, nos propusimos encontrar una que le permita a cualquier diseñador, ingeniero o persona que vaya a trabajar en obras geotécnicas conocer con mayor precisión los problemas a los que se podría enfrentar, aumentando la capacidad predictiva del comportamiento de los materiales”, señala el investigador.

Así pues, indagó entre herramientas existentes con el fin de encontrar una que lograra modelar con precisión lo previamente mencionado. “Buscamos que fuera un trabajo práctico, sencillo, que cualquiera pudiera usar. Esto porque a nivel local no vamos a encontrar muchas empresas que hagan este tipo de modelaciones hoy, especialmente porque se requiere un músculo computacional muy robusto para el procesamiento y análisis de datos. Entonces entre más asequible fuera, mucho mejor”, explica.

Los tres modelos probados fueron: Modified Cam Clay, el más antiguo de los tres y uno de los más usados en el medio; Hardering Soil Model (HS-Small), que es un poco más complejo porque permite capturar más detalles del comportamiento del suelo, e Hipoplastic Clay, que siendo asequible también es muy completo.

“Con este último, por considerar tantos aspectos del comportamiento de los materiales, presentimos que podía funcionar con suelos residuales, incluso pese a haber sido desarrollado para suelos sedimentarios, y así fue; ese fue el ‘ganador’”, cuenta.

El modelo trabaja con parámetros específicos y valores numéricos relacionados con el ángulo de fricción, la cohesión del material y la rigidez inicial, entre otros.

“La mayoría de estos parámetros se obtienen en la etapa experimental de calibración, es decir, al pasar por análisis de campo o laboratorio. Así se determinan sus características y luego su propio comportamiento. Esta fase experimental en específico fue desarrollada por el ingeniero Diego Iván  Galeano para su tesis doctoral, tomando un suelo residual de Caldas, en el sur del Valle de Aburrá”.

La herramienta “ganadora” funciona en el software especializado Plaxis 2D, que aunque es pago sigue siendo asequible y ampliamente conocido en el medio. “El modelo sí está publicado de forma gratuita, incluso hay papers que respaldan y explican cada detalle de su funcionamiento y cómo implementarlo en rutinas numéricas. Además es posible contactar por correo a su autor, profesor de la Universidad Charles de Praga. Las facilidades son muchas”, agrega.

También se aplicó la metodología matemática “análisis inverso”, que, a grandes rasgos, permite evaluar de forma iterativa los parámetros constitutivos antes mencionados.

“Dichos parámetros se integraron de forma repetitiva hasta que llegaron a una solución numérica que coincidió con los resultados de la campaña experimental en laboratorio. Así es mucho más sencillo calibrar el modelo y prescindir de la ejecución de algunos ensayos de laboratorio –que suelen ser costosos–, pues el ‘análisis inverso’ por sí mismo permite conocer el parámetro necesario”.






 




jueves, 11 de mayo de 2023

Novedoso sistema le saca provecho hasta el último vatio que producen los paneles solares

 Hoy en el mundo se promueve cada vez más el uso de energías renovables, entre las cuales la solar es una de las de mayor proyección en países como Colombia. Con esta tecnología, los paneles solares toman la energía proveniente del Sol y la convierten en electricidad, pero de esta solo se usa alrededor del 15 %. Un sistema de conversión de energía eléctrica diseñado en la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales mejoraría su eficiencia.

Elkin Edilberto Henao Bravo, doctor en Ingeniería (Línea de Investigación en Automática) de la UNAL Sede Manizales, explica que “mejorar la eficiencia de los paneles solares permite disminuir las pérdidas en el sistema eléctrico y así tener mayor disponibilidad de energía proveniente de estos dispositivos para su disposición final”.

Los sistemas de conversión de energía eléctrica –conocidos como circuito convertidor– son una conexión de componentes eléctricos como capacitores, inductores, fuentes o almacenadores, por donde pasa la energía proveniente del panel solar para convertirse en corriente eléctrica alterna o continua y así cumplir con el abastecimiento de energía.

Los paneles solares estudiados son los más pequeños o individuales y se ubican en espacios abiertos como terrazas, tejados o patios de una vivienda.

Estos se utilizan de manera conjunta con baterías, para encender o cargar dispositivos electrónicos o iluminar automáticamente las casas durante la noche, es decir que no requieren de una alimentación por cable a otra fuente eléctrica.

Por lo general los paneles solares se fabrican para entregar una potencia que va desde 45hasta más de 800 vatios según su tamaño, aunque la mayoría entregan entre 12 y 35 voltios, suficientes para cargar o encender dispositivos electrónicos como celulares, computadores o bombillas.

“Este es un problema que se puede solucionar localmente, pero que impacta nacional e incluso internacionalmente. Por eso se busca que estas energías eléctricas renovables ofrezcan soluciones aisladas durante un episodio de mayor impacto como apagones o tormentas”, señala el experto.

Buscando más eficacia

Estos se utilizan de manera conjunta con baterías, para encender o cargar dispositivos electrónicos o iluminar automáticamente las casas durante la noche, es decir que no requieren de una alimentación por cable a otra fuente eléctrica.

Por lo general los paneles solares se fabrican para entregar una potencia que va desde 45hasta más de 800 vatios según su tamaño, aunque la mayoría entregan entre 12 y 35 voltios, suficientes para cargar o encender dispositivos electrónicos como celulares, computadores o bombillas.

“Este es un problema que se puede solucionar localmente, pero que impacta nacional e incluso internacionalmente. Por eso se busca que estas energías eléctricas renovables ofrezcan soluciones aisladas durante un episodio de mayor impacto como apagones o tormentas”, señala el experto.

Buscando más eficacia

Después de aplicar una serie de ecuaciones y variables, el ingeniero determinó que la solución al suministro de energía eléctrica se da especialmente en los convertidores, para lo cual utilizó un convertidor de potencia (DAB) que mantiene una salida de tensión de corriente continua, más alta que su entrada, para manipular la energía generada por el panel solar.

“Es común que para aumentar el voltaje los paneles solares se conecten en serie (uno seguido del otro), y para aumentar la potencia energética se pongan en paralelo (uno frente al otro); sin embargo, estas conexiones pueden presentar problemas como mismatching (desajuste), es decir que no se tiene una irradiación y temperatura igual para todos los paneles, lo cual puede generar daños entre ellos, algo similar a lo que ocurre cuando se empiezan a dañar las luces navideñas”, explica.

Por eso propone una conexión de paneles en estructura distribuida (MPPT), que hace referencia al circuito que permite extraer la máxima cantidad de energía de cada panel, un potencial que se puede almacenar en bancos de baterías de plomo-ácido –como las de los carros– o de ion de litio para garantizar la estabilidad de la red eléctrica.

Como es necesario usar baterías, también propone usar un cargador/descargador basado en un circuito Zeta/Sepic, el cual permite guardar en las baterías la energía que sobra y entregarla cuando se vaya agotando la de los paneles. Así se puede garantizar una red eléctrica estable que permita el uso final de la energía en todo momento.

El experto indica que “en la fase de almacenamiento de energía, el circuito Zeta/Sepic se debe controlar para que las baterías entreguen o reciban energía en el momento que se requiera”.

“También debe permitir la operación stand-by,es decir cuando las baterías ni se cargan ni se descargan,lo que ocurre cuando no hay dispositivos conectados pidiendo energía y los paneles no producen energía, como puede pasar en las noches”.

La simulación de los circuitos y sus controladores se desarrolló bajo un programa de licencia paga para el análisis de circuitos eléctricos de potencia que incluye paneles solares y baterías; los experimentos se realizaron en el Laboratorio de Electrónica y Energías Renovables de la Institución Universitaria de Alta Calidad ITM de Medellín.

La investigación forma parte del proyecto “Dimensionamiento, planeación y control de sistemas eléctricos basados en fuentes renovables no convencionales, sistemas de almacenamiento y pilas de combustible para incrementar el acceso y la seguridad energética de poblaciones colombianas”, adscrito al programa “Estrategias para el desarrollo de sistemas energéticos sostenibles, confiables, eficientes y asequibles para el futuro de Colombia”, financiado por el Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación, el ITM, la Universidad del Valle y la UNAL.