TecnoLógicas

Retos en la investigación en ingeniería ante un posible posconflicto

Homogeneous and heterogeneous catalysts of Fe³⁺, Co²⁺ and Cu²⁺ for the degradation of methyl parathion in diluted aqueous medium

La degradación de pesticidas (plaguicidas, herbicidas, fungicidas, entre otros) en medio acuoso constituye un tema de enorme importancia que contribuye a asegurar la calidad del agua de numerosas fuentes hídricas. En el presente trabajo se realizó la evaluación de sistemas catalíticos homogéneos (iones metálicos en solución) y heterogéneos (óxidos soportados en alúmina), basados en Fe3+, Co2+ y Cu2+, en la oxidación (degradación) del plaguicida metilparatión en medio acuoso, empleando peróxido de hidrógeno como oxidante bajo condiciones suaves de reacción (25 ºC y presión atmosférica). Los sólidos se caracterizaron por difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido (SEM). El sistema Fe3+/H2O2 (sistema Fenton) constituye el catalizador homogéneo más activo, en comparación con los sistemas Co2+/H2O2 y Cu2+/H2O2. Los sólidos conformados por óxidos de cobalto, cobre o hierro y óxidos mixtos soportados en alúmina mostraron actividad catalítica a pH muy cercano a la neutralidad. Los sistemas mixtos Fe-Co-Cu/Al2O3, Co-Cu/Al2O3 y Fe-Co/Al2O3 fueron los sólidos de máxima actividad catalítica. Adicionalmente, se observó la influencia del soporte (d-Al2O3) en el pH del medio de reacción, permitiendo el acercamiento de dichos valores a la neutralidad y con ello favoreciendo la actividad catalítica de los óxidos de cobalto y de cobre. Los resultados del presente estudio permiten avanzar en una nueva ruta de búsqueda de catalizadores para la eliminación de pesticidas organofosforados contaminantes de aguas residuales.

Degradation of pesticides (plaguicides, herbicides, fungicides, among others) in aqueous media is a subject of great importance for ensuring the water quality into numerous hydric sources. This work reports the assessment of homogeneous (metal ion solutions) and heterogeneous (oxides supported on alumina) systems that are based on Fe3+, Co2+ y Cu2+, which were used as catalysts for oxidation (degradation) of methyl parathion (a plaguicide) in aqueous solution. Hydrogen peroxide was herein used as oxidizing molecule under mild condition of reaction (25 ºC and atmospheric pressure). The solids were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM). Fe3+/H2O2 (Fenton system) was the most active homogeneous catalyst compared to Co2+/H2O2 and Cu2+/H2O2 systems. Solids catalysts such as cobalt, copper or iron oxides as well as mixed oxides supported on alumina were active at pH close to neutrality. Fe-Co-Cu/Al2O3, Co-Cu/Al2O3 and Fe-Co/Al2O3 mixed systems were solids with the highest catalytic activity. In addition, an important effect of the support (d-Al2O3) on the reaction pH was observed, allowing to reach values close to that of the neutrality, and thus increasing the catalytic activity of both cobalt oxide and copper oxide species. These results allow advancing on a new pathway for searching catalysts to remove organophosphorous pesticides from residual waters.

Spectral analysis through filter banks aplied to preprocessing oriented to thresholding of pulse oximetry signal

La señal de pulso oximetría (SPO2) permite el cálculo del porcentaje de oxígeno en sangre y es adquirida en uno de los dedos del paciente. En condiciones normales, las variaciones de la señal SPO2 están correlacionadas con el ritmo cardiaco del paciente y su valor máximo está en fase con la onda R de la señal electrocardiográfica (ECG). Esta propiedad permite a la señal SPO2 ser la base para la estimación de la frecuencia cardiaca instantánea. Con la finalidad de poder medir la frecuencia cardiaca instantánea, a partir de la señal SPO2, es necesario un proceso de umbralización para la detección de los valores máximos, en fase con la onda R del complejo cardiaco. En este artículo se presenta un método iterativo para establecer la selección de frecuencias de corte para el diseño de filtros digitales, que permitan la detección de los valores máximos de la señal de pulso oximetría. Se presentan los resultados obtenidos a partir de la implementación de bancos de filtros y se demuestra su capacidad para obtener versiones de la señal de pulso oximetría y los valores de frecuencia de las componentes espectrales asociadas a los valores máximos de las señales de pulso oximetría. Los experimentos elaborados utilizaron señales de la base de datos CAPNOBASE que contienen señales SPO2 y ECG adquiridas simultáneamente. Los datos permitieron comprobar que los bancos de filtros permiten seleccionar la versión adecuada de señal SPO2 con picos positivos en fase con la onda R de la señal ECG.

The pulse oximetry signal (SPO2), allows the calculation of the oxygen saturation level in the blood, and it is acquired over the index finger of the patient. Under normal conditions, the variations in SPO2 have correlated with heart rhythm and its maximum value is in phase with the R wave in electrocardiographic signal (ECG). This property enables the SPO2 signal to be the basis for an alternative method for estimating the instantaneous heart rate. For measuring the instantaneous heart rate from the SPO2, it is necessary to carry out a signal thresholding process for detecting peak values in phase with the R-wave of the cardiac complex. In this paper, an iterative solution method is proposed to establish the cutoff frequency selection for the design of digital filters that allow detection of the maximum values of the signal pulse oximetry. The results obtained from the implementation of filter banks, demonstrated their ability to obtain versions of the pulse oximetry signal and frequency values of the spectral components, associated with the maximum values of the SPO2. Experiments used the CAPNOBASE processed signals database, which contains SPO2 and ECG signals, acquired simultaneously. The results allowed to verify that the filter bank allows to select the appropriate version of SPO2 signal with positive peaks, in phase with the R wave of the ECG signal.

A control system for reducing the hydrogen consumption of PEM fuel cells under parametric uncertainties

This paper presents a control system for reducing the hydrogen consumption for a Polymer Electrolyte Membrane fuel cell, also considering parametric uncertainties. The control system is based on a non-linear state space model of the fuel cell, a Kalman filter/estimator, a linear state feedback controller and a Maximum Power Point (MPP) tracking algorithm. The control objective is to supply the requested load power, avoiding oxygen starvation with minimum fuel consumption using a Perturb and Observe (P&O) algorithm. The performance of the control system was assessed under parametric uncertainties by simulating a performance degradation of the compressor due to aging. Thus, two cases were simulated: first, a mismatch between the system and the linear model in the (open-loop) air compressor gain; and second, a mismatch between the system and the linear model in the current compressor and losses. The simulation results showed that the Kalman filter/estimator overcome the uncertainties produced by the parametrical variations. Besides, the P&O algorithm accomplished to provide the suitable compressor voltage without identifying an optimal profile under ideal operating conditions and empirical data.

Este artículo presenta un sistema de control para reducir el consumo de hidrógeno para una celda de combustible de Membrana de Intercambio Protónico, considerando incertidumbres paramétricas. El sistema de control incluye un modelo no lineal en el espacio de estado para la celda de combustible, un filtro de Kalman/estimador, un regulador óptimo cuadrático y algoritmo de seguimiento de puntos de máxima potencia (MPP). El objetivo de control es suministrar la potencia de carga demandada, evitando el agotamiento del oxígeno y minimizando el consumo de hidrógeno por medio de un algoritmo de Perturbación y Observación (P&O). El desempeño del sistema de control es evaluado ante incertidumbres paramétricas al simular escenarios de pérdida de desempeño como producto del envejecimiento del compresor. De esta forma, dos escenarios fueron simulados: un primer escenario simula un error entre la ganancia (de lazo abierto) del compresor de la celda de combustible y la del modelo; y un segundo escenario, con un error entre la corriente de pérdidas y del compresor de la celda de combustible con respecto al modelo. Los resultados de simulación muestran que el filtro Kalman/estimador logra contrarrestar las incertidumbres producidas por los cambios paramétricos del sistema. Igualmente, el algoritmo MPP logra suministrar el voltaje del compresor adecuado sin necesidad de un perfil óptimo en condiciones ideales.

AC transmission network expansion planning considering circuits repowering and location of capacitors

En este artículo se aborda el problema de Planeamiento de la Expansión de la Red de Transmisión (PERT). El PERT consiste en determinar el conjunto de nuevos circuitos necesarios en un sistema de potencia, para atender una demanda futura. En su versión clásica, el PERT considera como candidatos de solución únicamente la adición de nuevas líneas y transformadores. La principal contribución de este artículo consiste en la inclusión de candidatos de solución no convencionales en el PERT. Dichos candidatos de solución son la repotenciación de circuitos existentes y la ubicación de bancos de capacitores. Para tener en cuenta estos últimos, se considera un modelo AC de la red de transmisión. La solución al modelo propuesto es llevada a cabo mediante un Algoritmo Genético Híbrido. Los resultados obtenidos son contrastados y validados con publicaciones previas de la literatura técnica. Los sistemas de prueba utilizados son el sistema Garver y el sistema IEEE de 24 barras. Los resultados obtenidos en ambos sistemas muestran que la inclusión de los candidatos no convencionales propuestos en este artículo permite disminuir los costos de la expansión de la red. Este hecho puede servir como indicador para que el planeador del sistema contemple nuevas posibilidades en los estudios de expansión.

This paper deals with the Transmission Network Expansion Planning (TNEP) problem. The TNEP consists of finding a set of new circuits on a power system, which is needed to attend a future demand. In its classical version, the TNEP only considers as solution candidates the addition of new lines and transformers. The main contribution of this paper consists in the inclusion of non-conventional solution candidates, namely the repowering of existing circuits and the location of capacitor banks. To take into account these last ones an AC model of the transmission network is considered. The solution of the proposed model is carried out using a Hybrid Genetic Algorithm. Results are compared and validated with previous works in the technical literature. The test systems used are the Garver system and IEEE 24 bus system. The results obtained in both systems showed that the inclusion of the non-conventional candidates, proposed in this paper, allows to reduce the cost of network expansion. This fact may be useful as an indicator for the system planner to consider new possibilities in the expansion studies.

Integrated generation-transmission expansion planning: a review of the state of the art

En la última década, un gran número de trabajos de investigación han abordado el problema de la expansión de los sistemas de potencia, coordinando en un solo problema de optimización el planeamiento de expansión de la generación (GEP, Generation Expansion Planning) y el planeamiento de expansión de la transmisión (TEP, Transmission Expansion Planning). El GEP normalmente se lleva a cabo sin tener en cuenta las restricciones de red y desde una perspectiva energética. Por otro lado, el TEP busca encontrar los refuerzos en la red, que atiendan una demanda futura de forma económica y confiable. La integración de estos problemas ha sido abordada utilizando diferentes métodos, modelos y funciones objetivo. En este artículo se presenta una revisión bibliográfica del problema del planeamiento integrado GEP-TEP desde diferentes puntos de vista como su modelado, métodos de solución, consideraciones de confiabilidad, entre otros. En la literatura especializada se encuentran artículos de revisión que caracterizan de forma independiente los problemas GEP y TEP. Sin embargo, no se encuentran revisiones que aborden problema GEP-TEP integrado. Surge entonces la necesidad de caracterizar los aspectos del planeamiento de la expansión integrada de los sistemas de potencia, con el propósito de proporcionar herramientas de consulta para los investigadores en este campo.

In the last decade a great number of research works have approached the power systems planning problem by coordinating in a single optimization problem the generation expansion planning (GEP) and the transmission expansion planning (TEP). GEP is usually carried out disregarding network constraints and under an energetic perspective. On the other hand, TEP aims to find network reinforcements that meet the expected demand in an economical and reliable way. The integration of these problems has been approached using different methods, models, and objective functions. This paper presents an exhaustive review of the integrated GEP-TEP problem from different points of view such as modeling, solving methods, reliability considerations, among others. There are review papers in the specialized literature that characterize the GEP and TEP problem independently. However, there are no reviews regarding the integrated GEP-TEP problem. So, it is needed to characterize aspects of the power systems integrated planning problem with the aim to provide consulting tools for researchers in this field.

Impact of government incentives in the profitability of green energy production using fuel cells in Colombia

Abstract Fuel cells are a technological alternative to produce green energy, however, high costs make fuel cell a non-profitable option. This paper analyses the impact of the Colombian government incentives in the profitability of fuel cells. The analysis is based on the total operation cost of the fuel cell in three representative applications: residential, office and building elevator. The economic viability of fuel cell generation in those cases is contrasted with classical solutions like diesel generators and standard grid to provide a reference framework. Such results enable to evaluate the effectiveness of the Colombian government incentives in promoting the use of fuel cells over other less environmental-friendly options such as diesel generators. Finally, new incentives are proposed by subsidies offered by other countries with higher fuel cell penetration into their electric market. All the analyses are supported in simulations performed with a mathematical model parameterized using the characteristics of commercial devices.

Resumen Las celdas de combustible son alternativas tecnológicas para producir energía renovable, sin embargo, los altos costos hacen a estas una opción poco rentable. Este artículo analiza el impacto de los incentivos del Gobierno de Colombia en la rentabilidad de la generación de energía eléctrica a partir de celdas de combustible. El análisis está basado en los costos totales de la operación de las celdas de combustible en tres escenarios representativos: una residencia, una oficina y un elevador de un edificio. La viabilidad económica de la generación con celdas de combustible en estos tres casos es contrastada con soluciones clásicas como generación a partir de diésel y la red eléctrica convencional. Los resultados permiten identificar que los incentivos del Gobierno de Colombia son muy efectivos para quienes generen a partir de energía renovable, como celdas de combustible, en contraste con otras opciones menos amigables con el medio ambiente, como los generadores diésel. Finalmente, nuevos incentivos son propuestos sobre la base de subsidios ofrecidos por otros países con alta penetración de las celdas de combustible en su mercado eléctrico. Todos los análisis están soportados en simulaciones realizadas con modelos matemáticos parametrizados que consideran las características de los dispositivos comerciales.

Mathematical model of photovoltaic systems for distributed maximum power point tracking

Resumen Este artículo presenta un modelo para sistemas de generación fotovoltaica, orientado a evaluar el desempeño de algoritmos distribuidos de búsqueda del punto de máxima potencia. El modelo considera la conexión en serie de n conjuntos módulo-convertidor que pueden ser dimensionados dependiendo de la aplicación en particular. Dicho modelo está compuesto por un conjunto de ecuaciones que pueden ser implementadas en cualquier software de cálculo matemático o en un lenguaje de programación que soluciones este tipo de ecuaciones. El modelo incluye el comportamiento estático del módulo fotovoltaico a partir de una ecuación que estima su relación voltaje-corriente, además, incluye el modelo del convertidor elevador de potencia con pérdidas en el inductor, esto con el fin de aproximar el modelo general a una solución realística de la aplicación. El modelo final es validado mediante simulaciones y comparado con una implementación del mismo en un software de simulación electrónica tradicional.

Abstract This paper presents a model of photovoltaic generation systems oriented to evaluate the performance of distributed maximum power point tracking algorithms. The model considers the series connection of n module-converter sets, which can be dimensioned depending on the particular application. This model is composed of an equation set that can be implemented in any mathematical analysis software or programming language that allows to solve this kind of equations. The proposed model also includes the static behavior of the photovoltaic module, described by one equation that estimates the current-voltage relation. Additionally, it includes a model of the Boost power electronic converter with inductor lost, which allows an approximation to realistic applications. The final model is validated using simulations, and it is compared with a traditional electronic simulation software implementation.