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Premio Argentino

Junior del Agua 2014

Gotitas de Luz

Autores

Benavidez bruno

Lord Nahuel

Docente coordinador

Rodrguez miguel Alejandro

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Resumen:

Uno de los mayores problemas que existen en los pueblos aborgenes de nuestro pas es la escasez, entre otras cosas de luz para poder iluminar sus viviendas precarias. Esta situacin nos motivo a disear un sistema ecolgico de bajo costo que le permita a esta comunidad aborigen iluminar parcialmente sus hogares durante el da, aprovechando la luz solar. Por medio de un ingenioso dispositivo reutilizando botellas de PET con agua en su interior la que capturara los rayos solares y los distribuir como un prisma por medio del principio de refraccin de la luz, Se pretende por intermedio de este proyecto no solo difundir una forma sustentable de generar luz donde no la hay, adems de ensear y aplicar esta tecnologa para mejorar su calidad de vida.

Introduccin: Todos nosotros como pobladores de las ciudades naturalizamos vivir en este mundo donde nuestra vida cotidiana esta muy facilitada gracias a la tecnologa existente la cual en su gran mayora se mueve por medio de la electricidad y olvidamos cuantos lujos damos por sentado todos los das. Abrir un grifo con agua caliente, o sacar nuestro litro de leche fresca de la heladera, o el simple hecho de apretar un interruptor para iluminar nuestro hogar, muchas de estas acciones, en varias zonas de nuestro pas para muchas familias esto no es posible. Existen en la actualidad y estn disponibles en nuestro pas una infinidad de mtodos para satisfacer estas necesidades, uno de ellos el es sistema de iluminacin por luz natural, tambin llamada lumiductos, en donde la luz solar es captada por un vidrio con aumento y trasferida por intermedio de un tubo o ducto espejado hacia otro vidrio difusor, este sistema funciona tanto en das soleados, como en das nublados obviamente con una baja en la luminosidad que pueden entregar.

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Debido a que este sistema es muy eficiente pero algo costoso, se buscaron variantes en los materiales constructivos pero no en sus propiedades reflectivas, Para tal fin se reciclo botellas de Pet a las cuales se lleno con agua y unas gotas de cloro para que el agua permanezca el mayor tiempo posible clarificada en su interior y pueda refractar con mayor eficiencia los rayos solares que incidan en la botella de Pet. De esta forma estos dispositivos se trasformaron en un prisma difusor de los rayos solares, y trasmiten la luz solar captada en el exterior proveniente del sol hasta el interior de un rancho logrando de esta forma iluminarlo parcialmente con una potencia que va desde los 20 a los 60 watt, dependiendo de la luz solar. Estos dispositivos tambin funcionan en ausencia de sol es decir en das nublados, pero obviamente con menor rendimiento lumnico, este sistema de iluminacin ecolgico adems logra reciclar las botellas de Pet que de otra forma se desecharan, adems el agua que se utiliza en ellas no tiene por que ser agua potable pero si clarificada.

Hiptesis:

Es posible usar una botella de Pet llena de agua como un prisma para difundir los rayos del sol enfocados en su parte superior y refractar la luz solar en su parte inferior para iluminar un rancho los das soleados.

Desarrollo

El primer paso fue evaluar el dispositivo y ver que tan eficiente era , la prueba consisti en enfocar una lmpara Led en una botella de Pet llena de agua de la canilla y ver como iluminaba, la prueba resulto muy satisfactoria por lo que se procedi a continuar con el proyecto.

Luego se evaluaron las botellas de Pet a utilizar por su resistencia a los rayos solares y la intemperie, se experimento con varios envases de Pet de diferentes marcas, se los lleno con agua y se los coloco al aire libre en un lugar donde les de el sol todo el da; se colocaron sobre una base de madera para evitar posibles

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daos por un calor excesivo del piso de baldosas. Para ver cual de los envases plsticos es mas resistente y como se comporta el agua que se aloja dentro de ellas, se realizaron varias pruebas como por ejemplo con agua proveniente de la canilla y por filtro de carbono , adems se evalo el porcentaje de diferentes compuestos para evitar la formacin de bacterias o algas en el agua introducida en los envases de Pet como ser pastilla de cloro , cloro liquido y hipoclorito de sodio ( lavandina) al ser aadido en las botellas, se rotulo cada botella, y luego se las dejo al sol para evaluar los resultados.

Para realizar las pruebas de campo se utilizo una caja de cartn gruesa a la cual se la perforo en su base para que pudiera caber una botella de gaseosa lnea coca-cola de 600 ml. y se la coloco en la terraza de la escuela Et N 3 para proceder al muestro de datos tomando siempre primero la radiacin solar con el solarimetro y luego la intensidad lumnica con el luxometro colocado dentro de la caja de cartn. Adems se evalo la mejor distancia en la que debera estar la botella de gaseosa con respecto al techo de la vivienda, para as lograr un mejor efecto de refraccin en el interior de la caja de pruebas.

Para la construccin de los dispositivos se utilizaron botellas de Pet de 1.5 litros para lograr una mayor refraccin solar por el volumen del envase, se realizaron primero dos circunferencias en cartn, la primer circunferencia con un dimetro igual al de la botella a ser colocada y la segunda circunferencia unos 2 cm menor a la anterior, en una pequea plancha rectangular de zinc (material del que estn hechos la mayora de los techos de los ranchos en Nazareno) se marcaron ambas circunferencias con un marcador indeleble una dentro de la otra, y se procedi a cortar el circulo mas pequeo.

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Luego se realizaron cortes desde el crculo interno hasta el permetro de la circunferencia ms grande, se procedi luego a golpearlas con un martillo para dejarlas lo mas planas posibles, y con una pinza se abri cada corte de la circunferencia.

Despus se coloco la botella de Pet elegida por el agujero y se aprieta con los rectngulos formados en la chapa de zinc hacia la botella y se procedi a sellar del lado superior e inferior con pegamento Siliconado de alta temperatura.

Despus de que los sellados secaron bien se introduce el agua a la que se le agrego unas 3 tapitas de cloro para evitar que el agua se descomponga y dure cristalina un lapso de tiempo mas prolongado, para evitar la evaporacin del agua en su interior se coloca pegamento en la rosca de la tapa de plstico del envase de Pet, y se le coloca una segunda tapa protectora, la cual puede ser un envase de pelcula fotogrfica o caito de PVC.

Para fijar el dispositivo a los techos se procede de la siguiente forma: se marca con el crculo grande de cartn anteriormente utilizado y se procede a cortarlo dejando un orificio donde calzara la botella de Pet del dispositivo.

Se procede a sellar todo el permetro del dispositivo ya que esto es muy importante para que no existan futuras filtraciones, se coloca adems sellador en el orificio del techo.

Se coloca el conjunto chapa-botella en el orificio del techo hasta que calce con el agujero previamente realizado y se procede a su sellado por medio de silicona de alta temperatura.

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Discusin:

La botella de Pet llena de agua capturara los rayos solares y los distribuye como un prisma por medio del proceso de refraccin de la luz, de esa forma logra difundir la luz en muchas direcciones.

Este ingenioso y econmico dispositivo fue pensado para proporcionar luz natural en espacios interiores que antes solo podan iluminarse artificialmente, en el que el agua es un componente fundamental. En este dispositivo que trabaja por medio del proceso de refraccin de la luz, por esta razn el agua utilizada debe estar lo mas clarificada posible por algn mtodo como puede ser filtrado por diversos mtodos (filtro de arcilla, suelos laterticos) o por destilacin solar, no es necesario que el agua sea potable para la utilizacin de este sistema. El cloro evita la formacin de moho en la solucin, adems los rayos UV provenientes de la exposicin solar directa mantienen libre de microorganismos por lago tiempo al agua contenida dentro de los envases de Pet. La desinfeccin solar es un proceso que elimina y controla los diferentes tipos de microorganismos presentes en el agua por medio de la radiacin solar gracias a su efecto microbicida, sin producir subproductos txicos. La eficiencia de la desinfeccin solar depende de la cantidad de luz solar disponible, la cual se distribuyo de manera irregular (das soleados y nublados) y su intensidad vara dependiendo de la estacin del ao, la hora del da y las condiciones climticas, por ejemplo, en das completamente nublados, la intensidad de la radiacin UV disminuyo a un tercio de la registrada en un da despejado, pero la desinfeccin solar igual se logra pero en un lapso mayor de tiempo.

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Un problema que tuvimos, fue que en Nazareno no haba cloro en cambio si haba hipoclorito de sodio (lavandina), ya que en las pruebas realizadas fue mejor el uso de cloro en las botellas de Pet llenas de agua para la no formacin de algas y bacterias tuvimos que realizar un dispositivo de cloracin salina alternativo el cual consisti en una celda electroltica, que por medio de la accin de la electricidad sobre una solucin de agua y sal comn, llamada Electrlisis Salina, produce cloro. Por medio del aporte de una diferencia de potencial en uno de los electrodos se produce la siguiente reaccin a partir de la sal y el agua:

Es decir, se produce hidrxido de sodio (NaOH), Hidrgeno (H2) y Cloro (Cl2). Este ltimo se disuelve en el agua formando cido hipocloroso y clorhdrico

El cido hipocloroso (HClO), al igual que en todo tratamiento por cloracin, es la especie desinfectante y oxidante segn la siguiente reaccin:

Como se puede observar se produce cido clorhdrico (HCl) y oxgeno (O2). Finalmente se produce una ltima reaccin de neutralizacin entre el hidrxido y el cido clorhdrico para formar de nuevo la sal, en un circuito cerrado sin prdida de ningn producto:

Para ello se construyo un dispositivo contenedor en acrlico transparente con electrodos de acero inoxidable 316L en forma rectangular con capacidad de 5 litros y una estructura de malla, adems se us un conector rpido para la salida de los gases oxidantes generados en el proceso de electrlisis, como se muestra en las fotos siguientes:

El voltaje que se hizo circular por el dispositivo clorador fue de 1 y a 12 v a una intensidad de 1A a 7A por medio de una fuente regulable de corriente continua. Las pruebas se realizaron en el laboratorio de la Escuela Tcnica N3 y en el pueblo de Nazareno, las pruebas se efectuaron en diferentes horarios y condiciones de clima, humedad y presin diversas sin afectar estos factores la produccin de cloro o la desinfeccin del agua. La medicin del cloro residual equivalente se realiz de la siguiente manera. Se

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tomaron muestras de agua, la primera a los 5 minutos de iniciada la prueba y despus cada 15 minutos hasta completar el perodo de observacin de 4 a 10 horas segn la serie. De cada muestra se tomaron alcuotas de 10 mL, que se agregaron en un tubo de ensayo a 1 mL de clorhidrato de ortotolidina. Se agit y al minuto se compar el color de la solucin con los estndares de una regleta en la que haba colores correspondientes a concentraciones de 0 a 12 mg/L, a intervalos de 2 mg/L. Cuando la concentracin sobrepas los 12 mg/L se efectuaron diluciones en las cuales se tomaron 4 mL y se llevaron a 100 mL con agua destilada, y de esta solucin se tomaron alcuotas de 10 mL para la reaccin. Para calcular la cantidad total de cloro residual en el agua tratada, expresada en mg/h y en mg/L, se tuvieron en cuenta la dilucin, cuando la hubo, y el flujo de agua en el sistema. Si se multiplica la concentracin por el volumen de agua que circula por el sistema en un tiempo dado se obtiene el total de cloro dosificado al agua en ese perodo. La produccin de cloro dosificado al agua tuvo un promedio de 1 369 mg/L con un mximo de 2 506 mg/L y un mnimo de 17 mg/L, concentracin que se observ a los 15 minutos de encendido el sistema. Tanto el cido hipocloroso (HOCl) como el in hipoclorito (OCl-) estn presentes hasta cierto punto cuando el pH vara entre 6 y 9 (el rango usual para el agua natural y potable). Cuando el valor de pH del agua clorada es 7,5, el 50% de la concentracin de cloro presente ser cido hipocloroso no disociado y el otro 50% ser in hipoclorito. Los diferentes porcentajes de HOCl y OCl- a diferentes valores de pH pueden verse en la figura. Las diferentes concentraciones de las dos especies significan una considerable diferencia en la propiedad bactericida del cloro, ya que estos dos compuestos presentan diferentes propiedades germicidas.

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Cloro(Mg totales)

Por esta razn, cuando se monitorea el cloro del agua, es aconsejable vigilar el pH, ya que esto dar una idea del potencial real bactericida de los desinfectantes presentes. En tal sentido, es importante mencionar que la OMS recomienda para una desinfeccin adecuada un pH < 8. La turbiedad es otro factor de peso en la desinfeccin, ya que una excesiva turbiedad reducir la efectividad por absorcin del cloro y, por otro lado, protegera a las bacterias y virus de su efecto oxidante. Para solucionarlo, ya que el agua utilizada fue de un ro cercano al pueblo y esta contena cierto grado de turbiedad, se construyeron filtros de arcilla cocida con

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aserrn. Con esto se logr la generacin de agua clorada por hipoclorito al someter una solucin de 10 gramos de cloruro de sodio/litro (1%) de concentracin aproximada en un proceso de electrlisis. Para una perfecta implementacin de este sistema usando radiacin solar es necesario tener en cuenta ciertos parmetros como por ejemplo la intensidad de radiacin y heliofana efectiva (duracin del brillo solar u horas de sol) para una zona geogrfica en particular a lo largo del ao; para as finalmente cuantificar la cantidad de energa que es posible captar por metro cuadrado de superficie por da, por mes y por ao a fin de utilizar ese dato como variable para nuestro sistema de iluminacin solar por refraccin.

Distribucin espacial de la heliofana efectiva (en horas) correspondiente a los meses de enero (izquierda) a julio (derecha)

En la pgina Web del Servicio Meteorolgico Nacional se puede acceder a este tipo de mapas confeccionados cada 10 das. Se consult esa base de datos y se obtuvo los datos de todo un ao completo. Usando un solarimetro apuntando al sol constantemente se obtuvieron los siguientes datos en la comunidad aborigen de Nazareno.

Distribucin horaria en un da en Nazareno

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Comparacin de la radiacin solar

Se efectuaron muchas mediciones en diferentes tiempos y situaciones (das nublados, de mucho sol, poco sol), adems utilizando botellas de variado volumen (500 ml hasta 2.5 litros) obteniendo diversas mediciones, pero siempre con una utilidad lumnica muy aceptable. En la primera imagen se puede ver cuando se tapa la botella de 500 ml cae a cero la toma de datos y cuando se la destapa sube la medicin.

La estrategia utilizada para realizar este proyecto e implementarlo en la comunidad aborigen de Nazareno (norte de la provincia de Salta), fue asignar a las escuelas rurales aborgenes un protagonismo fundamental, ya que se logr un proceso participativo de motivacin, capacitacin y acompaamiento tcnico en todas las etapas del proyecto. De este modo la trasferencia de esta tecnologa fue realizada por sus propios pares a travs de los maestros rurales quienes incorporando sus saberes, experiencias propias y tradiciones sern los encargados de trasmitir esta tecnologa medioambiental en su comunicad aborigen.

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Conclusiones:

Se logro por medio de un ingenioso y econmico dispositivo el cual trabaja con el principio de la refraccin de la luz, iluminar ranchos oscuros durante el da.

Dependiendo de la intensidad de la luz solar, que incida estas botellas de plstico llenas de agua, estos dispositivos produjeron una energa lumnica equivalente a lmparas entre 20 a 60 watts.

Este sistema recicla las botellas de Pet y puede ser una solucin de iluminacin y de ahorro de energa distintiva en muchos hogares de todo nuestro pas.

Uno de los elementos de este sistema de iluminacin, la botella de plstico, pasa de ser basura a ser un material reciclable til. Contribuyendo as con el cuidado del medio ambiente en estas zonas rurales.

El agua a utilizar no tiene necesariamente que ser potable, pero s debe estar clarificada lo mas posible.

Bibliografa

Rojas R, Guevara S. Estabilidad del hipoclorito de sodio generado por electrlisis. Hoja de divulgacin tcnica. Unin de Apoyo Tcnico al Saneamiento Bsico Rural. Per 1998: 1-6

Gonzlez, H. Estudio de un colector solar de paredes planas para desinfectar agua. En: Congreso Interamericano de Ingeniera Sanitaria y Ambiental, Cancn.

Lawand, T. Use of solar radiation for water disinfection. Quebec, Brace Research Institute.

Optics, E. Hetch, 2nd. Ed., Addison-Wesley Pub. Co. Reading. Ma

Gua del laboratorio de fsica, Physical Science Study Committee (PSSC)

La luz en el teatro - Manual de iluminacin, de Eli Sirlin,

Agradecimientos A nuestro asesor Alejandro Rodrguez que nos motiv para hacer este proyecto realidad, e hizo de nexo entre nosotros y los investigadores. Al Dr. Roberto Etchenique Profesor Titular FCEyN UBA por su apoyo en el proyecto.