ORIGINAL
Design and implementation of an IoT monitoring system for the optimization of solar stills for water desalination
Diseño e implementación de un sistema de monitoreo IoT para la optimización de destiladores solares en la desalinización de agua
Roger David Pimienta Barros1 *
1Universidad de La Guajira. Colombia.
Citar como: Pimienta Barros RD. Design and implementation of an IoT monitoring system for the optimization of solar stills for water desalination. LatIA. 2024; 2:101. https://doi.org/10.62486/latia2024101
Recibido: 01-02-2024 Revisado: 06-05-2024 Aceptado: 15-08-2024 Publicado: 16-08-2024
Editor: Prof.
Dr. Javier González Argote 
ABSTRACT
The project “Design and Implementation of an IoT Monitoring System for the Optimization of Solar Distillers in Water Desalination” sought to improve the efficiency of desalination in La Guajira, a region with critical water scarcity. The objective was to develop an IoT system to optimize solar stills, offering a sustainable solution. A prototype solar still with IoT monitoring was built. The study included the creation of circuits to integrate sensors and an HTML dashboard to visualize real-time variables, such as internal and external temperatures, humidity, and water level in the basin, facilitating the calculation of efficiency. The IoT monitoring system proved to be effective in increasing efficiency and providing valuable data for design decisions, marking a step towards water autonomy.
Keywords: Solar Desalination; Internet of Things (IoT); Solar Still Efficiency; Remote Monitoring.
RESUMEN
El proyecto “Diseño e Implementación de un Sistema de Monitoreo IoT para la Optimización de Destiladores Solares en la Desalinización de Agua” buscó mejorar la eficiencia de la desalinización en La Guajira, una región con escasez crítica de agua. El objetivo fue desarrollar un sistema IoT para optimizar destiladores solares, ofreciendo una solución sustentable. Se construyó un prototipo de destilador solar con monitoreo IoT. El estudio incluyó la creación de circuitos para integrar sensores y un dashboard en HTML para visualizar variables en tiempo real, como temperaturas interna y externa, humedad, y nivel de agua en la cuenca, facilitando el cálculo de eficiencia. El sistema de monitoreo IoT demostró ser efectivo para aumentar la eficiencia y proporcionando datos valiosos para decisiones de diseño, marcando un avance hacia la autonomía hídrica.
Palabras clave: Desalinización Solar; Internet de las Cosas (Iot); Eficiencia en Destiladores Solares; Monitorización Remota.
INTRODUCCIÓN
En el Departamento de La Guajira, la escasez crítica de agua potable constituye un desafío de gran envergadura, exacerbado por condiciones climáticas adversas y limitaciones en la infraestructura hídrica. En respuesta a esta situación, el proyecto "Diseño e Implementación de un Sistema de Monitoreo IoT para la Optimización de Destiladores Solares en la Desalinización de Agua" se propuso monitorizar las principales variables de los procesos de desalinización solar a través de la tecnología del Internet de las Cosas (IoT), como punto de partida para la obtención de soluciones más eficientes. Este enfoque busca no solo aumentar la disponibilidad de agua potable sino también garantizar la sostenibilidad y escalabilidad de las soluciones futuras.
La desalinización solar, aprovechando la abundante radiación solar en La Guajira, se presenta como una estrategia viable para abordar la crisis hídrica. No obstante, los métodos tradicionales han enfrentado limitaciones significativas en términos de eficiencia y adaptabilidad. El uso de sistemas basados en IoT para el monitoreo y control de destiladores solares introduce una capacidad sin precedentes para optimizar en tiempo real las condiciones operativas, ajustando los procesos según las variaciones ambientales y las necesidades específicas de la región (Benghanem et al., 2021; Gil et al., 2019).
Para abordar estos retos, se diseñó y evaluó experimentalmente un prototipo de destilador solar equipado con un sistema de monitoreo IoT. Este sistema se configuró para registrar múltiples variables críticas, como las temperaturas interna y externa del destilador, la humedad y el nivel de agua, cuyas fluctuaciones impactan directamente en la eficiencia del proceso de desalinización (Alshehri et al., 2021; Muñoz et al., 2020). La integración de sensores específicos y la creación de circuitos esquemáticos adaptados para este fin fueron cruciales para el éxito del proyecto. Además, se desarrolló una interfaz de usuario amigable, un dashboard programado en HTML, que permite la visualización en tiempo real de todas las métricas relevantes. Esta herramienta no solo facilita el monitoreo constante sino que también provee datos valiosos para la toma de decisiones y la mejora continua del sistema, asegurando que cada ajuste contribuya efectivamente a la optimización de la producción de agua desalinizada.
Los resultados obtenidos han demostrado que la implementación de tecnologías IoT puede significativamente incrementar la eficiencia de los destiladores solares. Este avance no solo es un testimonio del potencial de la tecnología IoT en aplicaciones de ingeniería ambiental, sino que también representa un paso esencial hacia la autosuficiencia y la sustentabilidad en la gestión del agua en La Guajira, marcando un camino hacia soluciones innovadoras y duraderas en el contexto de la crisis global de agua.
Este estudio proporciona un marco de referencia para futuras investigaciones y desarrollos en el campo de la desalinización solar, destacando la importancia de la integración de nuevas tecnologías para enfrentar los retos ambientales y sociales de nuestra era. A través de la exploración detallada de las posibilidades que ofrece el IoT, este trabajo contribuye a redefinir las estrategias de gestión del agua en regiones áridas, apuntando hacia una mayor eficiencia operativa y un impacto ambiental reducido.
MÉTODO
El desarrollo de sistemas de monitoreo IoT para la optimización de destiladores solares requiere una metodología rigurosa que integre diseño experimental, ingeniería de sistemas, y análisis de datos. Este enfoque multidisciplinario es esencial para asegurar la precisión, relevancia y aplicabilidad de los hallazgos, especialmente en contextos de escasez de agua como en La Guajira, donde la tecnología de destilación solar representa una solución vital.
Diseño Experimental
La metodología adoptada para este estudio se inició con la selección de un diseño de destilador solar basado en los criterios de eficiencia, simplicidad y coste-efectividad. Esta selección fue informada por estudios previos que demostraron la aplicabilidad de tales sistemas en regiones similares (Benghanem et al., 2022; Bisaga et al., 2017). El diseño experimental se orientó en el desarrollo de un prototipo funcional que permitiese la incorporación y prueba de diferentes configuraciones y componentes de monitoreo.
Construcción del Prototipo
Siguiendo la lógica de diseño propuesta, se procedió a la construcción de un prototipo de destilador. El material predominante fue el vidrio, debido a sus propiedades de transmisión y captación de calor solar, esencial para la eficiencia del proceso de destilación (Burbano, 2014). La base y la estructura de soporte fueron fabricadas con materiales resistentes a la corrosión y al ambiente salino, características relevantes para la durabilidad del sistema en La Guajira.
Integración de IoT
El núcleo del sistema de monitoreo fue un microcontrolador ESP32, seleccionado por su robustez, flexibilidad y compatibilidad con diversos tipos de sensores. Esta elección se apoyó en referencias de estudios similares donde el ESP32 se ha empleado exitosamente en aplicaciones IoT (Alshehri et al., 2021). Se integraron sensores para medir parámetros críticos, como la temperatura ambiente e interna, la humedad y el nivel del agua. Estos sensores se eligieron basados en su precisión y estabilidad, fundamentales para la monitorización de procesos críticos (Benghanem et al., 2021; Bisaga et al., 2017). Los datos capturados por los sensores fueron recogidos y transmitidos a través del ESP32, configurado para operar como un nodo dentro de una red IoT. La infraestructura de red se diseñó para garantizar la transmisión ininterrumpida y segura de datos, aspecto crítico para el monitoreo en tiempo real.
Desarrollo de la Interfaz de Usuario
La interfaz de usuario fue programada en HTML, complementada con JavaScript y hojas de estilo CSS, permitiendo una visualización clara y accesible de los datos recogidos. Este dashboard se desarrolló teniendo en cuenta la usabilidad y la interpretación intuitiva de los datos, permitiendo a los usuarios no especializados comprender y responder a las lecturas de los sensores en tiempo real.
Evaluación de la Eficiencia
La eficiencia del proceso de destilación se evaluó cuantitativamente mediante la comparación del volumen de agua desalinizada frente al volumen de agua evaporada. La formulación matemática para esta evaluación fue adoptada de literatura relevante, la cual proporciona un estándar para la evaluación de la eficiencia en sistemas de destilación (Benghanem et al., 2021d; Daud et al., 2020).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La información recopilada a través de un sistema de monitoreo IoT para optimizar destiladores solares en la desalinización del agua, brinda una oportunidad valiosa para analizar las mejoras potenciales en la eficiencia y el diseño de estos sistemas, especialmente en regiones con escasez de agua como el Departamento de La Guajira. Como primeras pruebas se implementaron dos configuraciones distintas del proceso de destilación solar: una utilizando un lente de Fresnel y la otra sin él. Las métricas de eficiencia, calculadas a partir del volumen de agua salada inicial, el agua destilada obtenida y la pérdida por evaporación, son indicadores cruciales de rendimiento. En el caso del destilador equipado con el lente de Fresnel, la eficiencia alcanzó el 60 %, mientras que el destilador sin lente registró una eficiencia del 28,27 %, un dato dentro del rango de los destiladores solares convencionales (Abdenacer & Nafila, 2007; Essa et al., 2022; Sivakumar & Ganapathy Sundaram, 2013). Estos resultados una notable mejoría a partir del uso de los elementos de concentración solar(Chakravarthy et al., 2022; Dellicompagni & Franco, 2019; Elashmawy, 2017; Sales, 2016; Singh & Tiwari, 2017b, 2017a), corroborando hallazgos similares en la literatura. La incorporación de tecnologías IoT permite un control más fino y una toma de decisiones basada en datos, lo que puede conducir a optimizaciones iterativas en el diseño de destiladores solares (Khechekhouche et al., 2021; Meukam et al., 2004; Yousefi et al., 2021).
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Tabla 1. Prueba de destilador solar con aplicación de lente Fresnel |
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Hora |
Agua Salada (ml) |
Agua Destilada (ml) |
Agua Perdida por evaporación(ml) |
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Inicio (9:51am) |
1000 |
0 |
0 |
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Final (5:30pm) |
500 |
300 |
200 |
Para nuestro caso:
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Tabla 2. Prueba de destilador solar sin aplicación de lente Fresnel |
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Hora |
Agua Salada (ml) |
Agua Destilada (ml) |
Agua Evaporada |
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Perdida por evaporación (ml) |
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Inicio (10:00am) |
1 000 |
0 |
0 |
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Final (5:30pm) |
855 |
41 |
104 |
Para nuestro caso:
El código HTML y JavaScript utilizado para el dashboard proporcionó una interfaz sencilla y funcional para la visualización de datos, lo cual es esencial para el seguimiento a distancia y la gestión efectiva del rendimiento del sistema. Esta funcionalidad es consistente con las tendencias actuales en la administración de recursos hídricos y la automatización en la agricultura (Paul, Agnihotri, Kavya, & Tripathi Prachi and Babu, 2022b; Sandhu et al., 2021a).
Figura 1. Primera versión de destilador utilizando lente Fresnel
Finalmente, cabe discutir las implicaciones a largo plazo de estos hallazgos. La capacidad para monitorear y optimizar los destiladores solares a través del IoT no solo tiene el potencial de mejorar la eficiencia del proceso de desalinización, sino también de contribuir a soluciones sustentables a los desafíos hídricos en áreas vulnerables. Estos avances, alineados con los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU, subrayan la importancia de integrar la tecnología en la gestión del agua para mejorar la calidad de vida y la resiliencia ambiental en comunidades desfavorecidas (Naciones Unidas, 2017).
Figura 2. Circuito esquemático del sistema de monitoreo IoT basado en el procesador ESP32
Figura 3. Dashboard diseñado en código HTML con un servidor en la nube, para la visualización de datos en tiempo real
