Dispositivo para el análisis de parámetros opto-térmicos en películas polarizadas

Abstract

El presente proyecto aborda el problema de la falta de métodos accesibles para evaluar el desempeño de películas de control solar aplicadas en vidrios arquitectónicos en climas tropicales. Los edificios en estas zonas experimentan ganancias solares excesivas que incrementan significativamente el consumo energético de los sistemas de climatización, afectando tanto la eficiencia energética como el confort térmico de los ocupantes. Aunque existen películas comerciales que prometen diversos niveles de rechazo de energía solar, no hay dispositivos económicamente accesibles para validar estas especificaciones de manera directa y comparativa en condiciones reales de operación. Esta situación limita la capacidad de profesionales del sector construcción, investigadores académicos y empresas instaladoras para tomar decisiones informadas sobre la selección e implementación de estas tecnologías. La solución propuesta consiste en el diseño y desarrollo de un dispositivo portátil de doble modalidad que permite evaluar el desempeño óptico-térmico de películas de control solar mediante un sistema de doble cámara. El dispositivo opera en modo artificial para cuantificar transmitancia de luz ultravioleta y luz visible bajo iluminación controlada mediante fuentes LED calibradas, y en modo natural para evaluar el rechazo térmico por exposición directa a radiación solar en condiciones ambientales reales. Los principales requerimientos del sistema incluyen medición de absorbancia, reflectancia y transmitancia con precisión de 2 por ciento para índice de rechazo de infrarrojo y 0.5 grados Celsius para temperatura superficial. El dispositivo debe ser portátil con peso inferior a 3 kilogramos, tener bajo consumo energético con autonomía mínima de 4 horas, y contar con capacidad de almacenamiento y transmisión de datos mediante múltiples interfaces. Los productos desarrollados incluyen el diseño estructural del dispositivo impreso en 3D con tres módulos verticales que facilitan ensamblaje y mantenimiento, una placa de circuito impreso personalizada con integración de sensores TSL2591 para luz visible con rango dinámico amplio, MLX90614 para temperatura infrarroja sin contacto y GUVA-S12SD para radiación ultravioleta en banda UVA. El sistema de control se basa en Arduino Uno como microcontrolador principal con módulo de comunicación HC-06 por Bluetooth para conexión a computadora. El diseño contempla fuentes de luz LED controladas mediante transistores IRLZ44N con modulación por ancho de pulso, convertidores de voltaje MT3608 step-up y LM2596 step-down para alimentación optimizada, y batería LiPo de 7.4 voltios con capacidad de 2200 miliamperios-hora que proporciona la autonomía requerida. Las normas de ingeniería consideradas en el proyecto incluyen ISO 9050:2003 para determinación de transmitancia de luz y energía solar en vidrios para construcción, que establece los procedimientos de referencia para caracterización óptica; ISO 4892-1:2016 e ISO 4892-3:2016 para simulación de exposición a luz en laboratorios, proporcionando lineamientos sobre intensidades de irradiancia y uniformidad espacial; ASTM G173 para espectro de irradiancia solar de referencia AM1.5 utilizado como objetivo para calibración de fuentes LED; IEC 60529 para grados de protección contra polvo y humedad, estableciendo objetivo de clasificación IP54 para operación en campo; e IEC 62133 para seguridad de baterías de iones de litio, implementando protecciones contra sobrecarga y cortocircuito. Los cursos cuyos contenidos fueron aplicables en el proyecto incluyen Diseño Mecánico para la selección de materiales estructurales y análisis de resistencia de componentes impresos en 3D; Transferencia de Calor para los cálculos de aislamiento térmico mediante resistencias térmicas y flujo de calor por conducción; Instrumentación y Control para la integración de sensores mediante protocolo I2C y desarrollo de algoritmos de adquisición de datos; Electrónica Análoga y Digital para el diseño de circuitos de acondicionamiento de señales y control de potencia mediante transistores MOSFET; Programación para el desarrollo del código de Arduino con máquina de estados y procesamiento de datos en formato CSV; y Diseño Asistido por Computadora para el modelado tridimensional en Solid Edge y generación de archivos STL para manufactura aditiva. Las nuevas habilidades y conocimientos adquiridos durante el desarrollo del proyecto incluyen diseño e impresión 3D de estructuras modulares con consideraciones de aislamiento térmico mediante geometrías de pared doble; integración de múltiples sensores con direcciones I2C idénticas en un mismo bus mediante multiplexores TCA9548A con selección por software; desarrollo de interfaces hombre-máquina tanto por Bluetooth para distancias cortas como por radiofrecuencia para comunicación a larga distancia; gestión de energía en dispositivos portátiles con baterías LiPo, incluyendo conversión de voltaje mediante topologías step-up y step-down; procesamiento de señales ópticas y térmicas para caracterización comparativa de materiales bajo condiciones controladas y naturales; validación experimental de modelos de transferencia de calor comparando resultados calculados con mediciones térmicas reales; y metodología de diseño iterativo basado en prototipos físicos que permite identificar problemas no evidentes en simulaciones como interferencias electromagnéticas y efectos de acumulación térmica.

This project addresses the problem of the lack of accessible methods to evaluate the performance of solar control films applied to architectural glass in tropical climates. Buildings in these regions experience excessive solar gains that significantly increase the energy consumption of air conditioning systems, affecting both energy efficiency and occupants’ thermal comfort. Although commercial films exist that promise various levels of solar energy rejection, there are no economically accessible devices to directly and comparatively validate these specifications under real operating conditions. This situation limits the ability of professionals in the construction sector, academic researchers, and installation companies to make informed decisions regarding the selection and implementation of these technologies. The proposed solution consists of the design and development of a portable dual-mode device that enables evaluation of the optical-thermal performance of solar control films through a dual-chamber system. The device operates in artificial mode to quantify ultraviolet and visible light transmittance under controlled illumination using calibrated LED sources, and in natural mode to evaluate thermal rejection through direct exposure to solar radiation under real environmental conditions. The main system requirements include measurement of absorbance, reflectance, and transmittance with 2 percent accuracy for infrared rejection index and 0.5 degrees Celsius for surface temperature. The device must be portable with a weight under 3 kilograms, have low energy consumption with a minimum autonomy of 4 hours, and include data storage and transmission capabilities through multiple interfaces. The developed products include the structural design of the device 3D-printed with three vertical modules that facilitate assembly and maintenance, a custom printed circuit board integrating TSL2591 sensors for visible light with wide dynamic range, MLX90614 for non-contact infrared temperature measurement, and GUVA-S12SD for ultraviolet radiation in the UVA band. The control system is based on Arduino Uno as the main microcontroller with an HC-06 communication module via Bluetooth for computer connection. The design incorporates LED light sources controlled through IRLZ44N transistors with pulse-width modulation, MT3608 step-up and LM2596 step-down voltage converters for optimized power supply, and a 7.4-volt LiPo battery with a capacity of 2200 milliampere-hours providing the required autonomy. Engineering standards considered in the project include ISO 9050:2003 for determination of light and solar energy transmittance in glass for construction, which establishes reference procedures for optical characterization; ISO 4892-1:2016 and ISO 4892-3:2016 for laboratory light exposure simulation, providing guidelines on irradiance intensity and spatial uniformity; ASTM G173 for the AM1.5 reference solar irradiance spectrum used as a calibration target for LED sources; IEC 60529 for degrees of protection against dust and moisture, establishing an IP54 classification target for field operation; and IEC 62133 for lithium-ion battery safety, implementing protections against overcharge and short circuit. The courses whose contents were applicable to the project include Mechanical Design for the selection of structural materials and strength analysis of 3D-printed components; Heat Transfer for thermal insulation calculations using thermal resistances and heat conduction flow; Instrumentation and Control for sensor integration via I2C protocol and development of data acquisition algorithms; Analog and Digital Electronics for the design of signal conditioning circuits and power control using MOSFET transistors; Programming for the development of Arduino code using a state machine and CSV data processing; and Computer-Aided Design for three-dimensional modeling in Solid Edge and generation of STL files for additive manufacturing. The new skills and knowledge acquired during the project development include 3D design and printing of modular structures with thermal insulation considerations through double-wall geometries; integration of multiple sensors with identical I2C addresses on the same bus using TCA9548A multiplexers with software-based selection; development of human-machine interfaces via Bluetooth for short distances and radiofrequency for long-distance communication; energy management in portable devices using LiPo batteries, including voltage conversion through step-up and step-down topologies; processing of optical and thermal signals for comparative material characterization under controlled and natural conditions; experimental validation of heat transfer models by comparing calculated results with real thermal measurements; and iterative design methodology based on physical prototypes to identify issues not evident in simulations such as electromagnetic interference and thermal accumulation effects.

Trabajo de grado -- Facultad de Ingeniería