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Dise�o de un sistema de adquisici�n de datos ambientales para deshidratador solar pasivo directo de orujo de aceituna

 

Design of an environmental data acquisition system for direct passive solar olive pomace dehydrator

 

Projeto de um sistema de aquisi��o de dados ambientais para desidratador solar passivo direto de baga�o de azeitona

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: omar.cabrera@unach.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 05 de enero de 2024 *Aceptado: 10 de enero de 2024 * Publicado: �26 de enero de 2024

 

       I.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

     II.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

   III.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

  IV.          Universidad Nacional de Chimborazo, Ecuador.

 

Resumen

En este estudio, desarrollamos un avanzado sistema de adquisici�n de datos espec�ficamente dise�ado para un deshidratador solar pasivo directo, orientado a la desecaci�n de orujo h�medo. Este sistema se ajusta a las condiciones clim�ticas espec�ficas de Ja�n, abordando la necesidad cr�tica de disminuir la humedad del orujo para potenciar su uso como recurso energ�tico renovable, aprovechando su considerable potencial energ�tico. El sistema se enfoca en el monitoreo continuo de variables clave como la temperatura, la humedad y la radiaci�n solar, garantizando una eficiencia �ptima en el proceso de deshidrataci�n y contribuyendo significativamente a la valorizaci�n energ�tica del orujo.

Palabras Clave: Deshidrataci�n; orujo de aceituna h�medo; prototipo; solar.

 

Abstract

In this study, we developed an advanced data acquisition system specifically designed for a direct passive solar dehydrator, aimed at drying wet pomace. This system adjusts to the specific climatic conditions of Ja�n, addressing the critical need to reduce the humidity of the pomace to enhance its use as a renewable energy resource, taking advantage of its considerable energy potential. The system focuses on the continuous monitoring of key variables such as temperature, humidity and solar radiation, guaranteeing optimal efficiency in the dehydration process and contributing significantly to the energy recovery of the pomace.

Keywords: Dehydration; moist olive pomace; prototype; solar.

 

Resumo

Neste estudo, desenvolvemos um sistema avan�ado de aquisi��o de dados projetado especificamente para um desidratador solar passivo direto, destinado � secagem de baga�o �mido. Este sistema adapta-se �s condi��es clim�ticas espec�ficas de Ja�n, respondendo � necessidade cr�tica de reduzir a humidade do baga�o para potenciar a sua utiliza��o como recurso energ�tico renov�vel, aproveitando o seu consider�vel potencial energ�tico. O sistema centra-se na monitoriza��o cont�nua de vari�veis-chave como temperatura, humidade e radia��o solar, garantindo uma �ptima efici�ncia no processo de desidrata��o e contribuindo significativamente para a recupera��o energ�tica do baga�o.

Palavras-chave: Desidrata��o; baga�o de azeitona �mido; prot�tipo; solar.

Introducci�n

El secado de alimentos es un proceso que alarga su vida �til y tiene un consumo energ�tico (Amouiri & Belhamri, 2022), una fuente de esta energ�a es la energ�a solar que se puede aplicar directa o indirectamente (Barghi Jahromi et al., 2022), el secado solar es un proceso que se utiliza principalmente en los pa�ses mediterr�neos (EL-Mesery, 2022).

La producci�n ha sufrido cambios importantes a lo largo de su historia. A medida que han ido surgiendo nuevos m�todos de producci�n, tambi�n han aparecido distintos residuos o excedentes que suponen un problema desde el punto de vista medioambiental y una oportunidad desde el punto de vista energ�tico.

Desde los a�os 1960, los m�todos de extracci�n continua del aceite de oliva, conocidos como de tres fases o salidas, proporcionaban aceite, alpech�n y orujo como productos con una humedad del 45% aprox, del cual se pod�a obtener un aceite llamado aceite de orujo. A partir de los a�os 90 se introduce un nuevo m�todo en dos fases o salidas, cuyos productos son el aceite de oliva y el orujo de oliva h�medo (WOP). El orujo de oliva se produce en mayor cantidad que el alpech�n debido a su elevada humedad (alrededor del 70%) y es m�s contaminante (Cruz-Perag�n et al., 2006)(Garc�a-Maraver et al., 2012), se estima que por cada tonelada de aceituna procesada se producen 850 kg de WOP. (Ghilardi et al., 2020).

Estos residuos representan un grave problema ambiental, as� como una gran oportunidad energ�tica que puede ser aprovechada como biomasa. El m�todo de dos fases es actualmente el m�s utilizado porque consume menos agua y energ�a (Pantziaros et al., 2021). Generalmente, este subproducto (separado del hueso de aceituna) se env�a desde las almazaras a las plantas procesadoras, que se encargan de eliminar parte de su humedad mediante tr�meles de secado y obtener el aceite que a�n contiene separ�ndolo con hexano. El aceite obtenido se denomina aceite de orujo y el resto se conoce como orujo, que contiene un 10% de humedad y tiene un poder calor�fico de 4.500 kcal/kg en base seca.

En el �mbito de la ingenier�a agr�cola y energ�tica, la deshidrataci�n de subproductos agr�colas como el orujo de aceituna representa una oportunidad significativa para la valorizaci�n de residuos y la producci�n de energ�a renovable. En este contexto, el desarrollo de sistemas de adquisici�n de datos precisos y confiables es fundamental para optimizar los procesos de deshidrataci�n utilizando energ�a solar, una fuente limpia y abundante

El principal objetivo de la investigaci�n es desarrollar un sistema de adquisici�n de datos eficiente y efectivo para optimizar el funcionamiento de un deshidratador solar pasivo directo, aplicado a la desecaci�n de orujo h�medo bajo las condiciones clim�ticas de Ja�n. Este sistema busca reducir significativamente el contenido de humedad del orujo, con el fin de mejorar su viabilidad como fuente de energ�a renovable. Mediante el monitoreo preciso de variables cr�ticas como la temperatura, la humedad ambiental y la radiaci�n solar, la investigaci�n se propone maximizar la eficiencia del proceso de deshidrataci�n, asegurando as� la transformaci�n energ�tica �ptima del orujo y contribuyendo a la sostenibilidad energ�tica.

 

1)     Metodolog�a

 

1.1  Sistema de adquisici�n de datos

 

Para evaluar el rendimiento del prototipo de secador solar se ha creado un sistema de monitorizaci�n en el prototipo. Este sistema puede realizar un seguimiento exhaustivo de la evoluci�n de las condiciones ambientales y del interior del prototipo. Los par�metros para monitorear son: temperatura, humedad y radiaci�n. La temperatura se mide en la parte superior e inferior del prototipo, tal como se puede ver en la Figura 1.

Figura 1. Sensores de temperatura y humedad en el prototipo.

El sistema de monitorizaci�n ha sido dise�ado para funcionar de forma aut�noma, obteniendo energ�a de un peque�o panel solar colocado cerca de la instalaci�n. Para garantizar que este suministro el�ctrico se mantenga durante la noche o en d�as nublados se ha incorporado una bater�a junto con un m�dulo de carga para la misma.

 

La informaci�n captada por los sensores se almacena en una SD y para evitar que el operador tenga que acceder al interior del prototipo para extraer esta informaci�n, liberando vapor de agua en la apertura de la c�mara, se ha implementado un servidor de datos mediante un microcontrolador tiene� conexi�n Wi-Fi, esta informaci�n estar� disponible localmente a trav�s de una PC conectada a la red Wi-Fi que crea el dispositivo.

 

2.2 Partes del sistema de seguimiento

 

El sistema consta principalmente de una unidad de control compuesta por un ESP32 SoC, sensores de humedad y temperatura, corrent�metro para la celda calibrada que mide la radiaci�n solar, RTC (reloj en tiempo real) y gesti�n de carga de bater�a.

 

�       Unidad de control: se ha seleccionado el microcontrolador ESP32 de la empresa Espressif Systems, ya que es un circuito integrado que combina los protocolos Wi-Fi y Bluetooth en la banda de 2.4GHz en un solo lugar, priorizando el bajo consumo energ�tico utilizando tecnolog�a de 40nm. El consumo de este dispositivo es de 50mA en modo normal, 150mA cuando se utiliza la red Wi-Fi y 7uA en modo suspensi�n, en la Figura 2, se puede observar el diagrama de bloques funcional del microcontrolador.

Figura 2. Diagrama de bloques funcional del microcontrolador.

�       RTC: para asegurar que las medidas se est�n realizando en periodos de tiempo regulares, se ha incorporado DS3231, que genera una se�al de reloj que se utiliza para mantener las medidas realizadas sincronizadas con la hora local. El m�dulo tiene una bater�a CR2032 que permite mantener el tiempo del sistema en caso de un corte de energ�a o falla interna del sistema.

 

Este dispositivo tiene la posibilidad de programar diferentes alarmas, que al activarse env�an un pulso que puede despertar el sistema desde el modo de bajo consumo. El sistema de adquisici�n ha sido programado para realizar mediciones cada 10 minutos, cambiando el sistema a modo de bajo consumo entre mediciones, considerando que los par�metros a medir var�an gradualmente, en la Figura 3, se puede observar el esquema de reloj en tiempo real con pila de bot�n

Figura 3. Esquema de reloj en tiempo real con pila de bot�n

�       Memoria SD interna: el almacenamiento de datos se realiza en la tarjeta de memoria SD. El contenido de este es accesible a trav�s de un servidor de datos v�a Wi-Fi. Para acelerar la escritura y lectura de datos se ha implementado el protocolo SDMMC, que permite utilizar el modo de 4 bits del protocolo SPI (hasta 100 Mbit/s) del modo de 1 bit (hasta 25 Mbit/s), lo que considerablemente reduce y aumenta la velocidad.

Al inicio de cada d�a se crea un archivo diferente con la fecha correspondiente, con esta acci�n se evita la corrupci�n de los datos del sistema, pudiendo recuperar las medidas anteriores en caso de corrupci�n de un archivo, en la Figura 4, se puede observar el esquema de conexi�n de tarjeta microSD en modo 4btis

Figura 4. Esquema de conexi�n de tarjeta microSD en modo 4btis

�       Sensores incorporados al prototipo: La monitorizaci�n de los par�metros de temperatura y humedad se realiza mediante m�dulos HTU21, mientras que la irradiaci�n solar se obtiene de una c�lula compensada calibrada de la empresa Atersa , que utiliza el protocolo industrial 4-20mA. Para medir las intensidades de este protocolo se ha incorporado el molinete ina219 que tiene una presi�n de 12 bits. Tanto HTU21 como ina219 utilizan el protocolo de comunicaciones I2C, en la Figura 5, se puede observar el medidor de intensidad basado en el ina219.

 

Figura 5. Medidor de intensidad basado en el ina219.

El problema de esta implementaci�n es que los sensores de temperatura vienen con la misma direcci�n de acceso a datos de f�brica, por lo que para poder conectar varios dispositivos a la vez ha sido necesario incorporar un demultiplexor. En nuestro caso de 8 canales, por si en un futuro es necesario incorporar m�s dispositivos con el mismo problema. En la Figura 6, se muestra el esquema seguido.

Figura 6. Demultiplexor para conectar m�ltiples sensores I2C

�       Alimentaci�n: todos los elementos del sistema funcionan a 5V y pueden obtener esta alimentaci�n de la bater�a o utilizando uno de los puertos mini-USB del sistema. Uno de ellos se utiliza para la depuraci�n del software y otro para la carga de la bater�a, esta carga tambi�n se puede realizar mediante un panel solar de 6V conectado al sistema.

La bater�a seleccionada es del tipo 18650, por su alta capacidad y facilidad de suministro en caso de aver�a. Se trata de una bater�a de iones de litio, cargada y gestionada por el descargador integrado TP4056, junto con el sistema de protecci�n contra cortocircuitos proporcionado por el FS312F-G integrado. Ambos incluidos en el m�dulo de carga.

 

2.3 An�lisis experimental de errores e incertidumbres.

 

Se utiliz� la ley de prevalencia de Gaussc para calcular la incertidumbre experimental, donde se utiliza la ecuaci�n (1) para calcular la incertidumbre.

 

(uno)

 

Tabla 1. An�lisis de precisi�n de los instrumentos utilizados.

 

 

 

 

2)     Resultados y discusi�n

 

3.1 Caracterizaci�n del sistema a trav�s del sistema electr�nico.

 

El proceso de secado se realiz� durante los d�as 02 al 14 de febrero de 2021, coincidiendo con el final de la campa�a de recolecci�n de aceituna, en las Figura 7, Figura 8 y Figura 9, se puede ver las variables de temperatura, humedad y radiaci�n respectivamente.

Figura 7. Temperaturas durante el periodo especificado.

Figura 8. Evoluci�n de la humedad durante el periodo especificado.

Figura 9. Evoluci�n de la radiaci�n directa durante el per�odo especificado.

El hardware de adquisici�n de datos, una vez ensamblado con todos los componentes electr�nicos, qued� como se muestra en la Figura 10, y se coloc� junto al prototipo met�lico dentro de una caja sellada. Los sensores, por su parte, fueron colocados en cajas de pl�stico que permiten medir temperatura y humedad, con una protecci�n que evita la condensaci�n.

 

Figura 10. Hardware dise�ado para esta aplicaci�n.

5. Conclusiones

 

El sistema de adquisici�n de datos desarrollado ha demostrado ser eficiente y efectivo para monitorear variables clave como temperatura, humedad y radiaci�n solar en un deshidratador solar pasivo directo de orujo de aceituna.

La optimizaci�n del proceso de deshidrataci�n del orujo h�medo bajo las condiciones clim�ticas espec�ficas de Ja�n ha sido exitosa, contribuyendo a mejorar la viabilidad del orujo como fuente de energ�a renovable.

La maximizaci�n de la eficiencia del proceso de deshidrataci�n a trav�s de la monitorizaci�n precisa de variables cr�ticas ha sido fundamental para asegurar una transformaci�n energ�tica �ptima del orujo.

El sistema de adquisici�n de datos ha facilitado la sostenibilidad energ�tica al mejorar la eficiencia en el uso del orujo como recurso energ�tico renovable.

Se destaca la importancia de la tecnolog�a de monitoreo continuo en el sector de deshidrataci�n de alimentos, especialmente en el contexto de la producci�n de aceitunas y el aprovechamiento de subproductos como el orujo.

 

Referencias

Amouiri, R., & Belhamri, A. (2022). CFD investigations on the behavior of a solar dryer used for medicinal herbs dehydration under climatic conditions of Constantine, Algeria. Materials Today: Proceedings, 51, 2123�2130. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.12.475

Barghi Jahromi, M. S., Kalantar, V., Samimi Akhijahani, H., & Kargarsharifabad, H. (2022). Recent progress on solar cabinet dryers for agricultural products equipped with energy storage using phase change materials. Journal of Energy Storage, 51, 104434. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104434

Cruz-Perag�n, F., Palomar, J., & Ortega, A. (2006). Ciclo energ�tico integral del sector ole�cola en la provincia de Ja�n(Espa�a). Grasas y Aceites, 57(2), 219�228.

EL-Mesery, H. S. (2022). Improving the thermal efficiency and energy consumption of convective dryer using various energy sources for tomato drying. Alexandria Engineering Journal, 61(12), 10245�10261. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.aej.2022.03.076

Garc�a-Maraver, A., Zamorano, M., Ramos-Ridao, A., & D�az, L. F. (2012). Analysis of olive grove residual biomass potential for electric and thermal energy generation in Andalusia (Spain). Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(1), 745�751. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.08.040

Ghilardi, C., Sanmartin Negrete, P., Carelli, A. A., & Borroni, V. (2020). Evaluation of olive mill waste as substrate for carotenoid production by Rhodotorula mucilaginosa. Bioresources and Bioprocessing, 7(1), 52. https://doi.org/10.1186/s40643-020-00341-7

Pantziaros, A. G., Trachili, X. A., Zentelis, A. D., Sygouni, V., & Paraskeva, C. A. (2021). A new olive oil production scheme with almost zero wastes. Biomass Conversion and Biorefinery, 11(2), 547�557. https://doi.org/10.1007/s13399-020-00625-0

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� 2024 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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