PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO – CHILE ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
DESARROLLO DE NUEVAS TECNOLOGIAS CON ENERGIA MAREOMOTRIZ PARA EL AUTOCONSUMO DE LAS BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA
Felipe Alejandro Ortega Quiroz
INFORME FINAL DEL PROYECTO PRESENTADO EN CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS PARA OPTAR AL TÍTULO
PROFESIONAL DE
INGENIERO ELÉCTRICO
Enero 2013
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DESARROLLO DE NUEVAS TECNOLOGIAS CON ENERGIA MAREOMOTRIZ PARA EL AUTOCONSUMO DE LAS BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA
INFORME FINAL
Presentado en cumplimiento de los requisitos para optar al título profesional de Ingeniero Eléctrico otorgado por la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Felipe Alejandro Ortega Quiroz
Profesor Guía Profesor Correferente Profesor Correferente 2
Sr. Paulino Alonso Rivas Sr. Bernardita Díaz Sr. Domingo Ruiz
Enero 2013
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ACTA DE APROBACIÓN La Comisión Calificadora designada por la Escuela de Ingeniería Eléctrica ha aprobado el texto del Informe Final del Proyecto de Titulación, desarrollado entre el primer semestre de 2011 y el segundo semestre de 2011, y denominado
DESARROLLO DE NUEVAS TECNOLOGIAS CON ENERGIA MAREOMOTRIZ PARA EL AUTOCONSUMO DE LAS BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA
Presentado por el Señor Felipe Alejandro Ortega Quiroz
Paulino Alonso Rivas Profesor Guía
Bernardita Díaz Segundo Revisor
Domingo Ruiz Caballero Tercer Revisor
Héctor Peña Mac Leod Secretario Académico
Valparaíso, Enero 2013
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Dedicado a mis padre Patricio y María, por su incondicional apoyo y motivación durante estos años de estudio. A mis hermanos Patricio, Claudia, Mauricio, por su cálida compañía familiar.
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DESARROLLO DE NUEVAS TECNOLOGIAS CON ENERGIA MAREOMOTRIZ PARA EL AUTOCONSUMO DE LAS BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA
Felipe Alejandro Ortega Quiroz
Profesor Guía Sr. Paulino Alonso Rivas
RESUMEN
El presente trabajo consiste en estudiar una nueva energía renovable no convencional de las energías del mar, desarrollando una nueva tecnología para añadir al sistema eléctrico de las boyas de señalización marítima de la Armada de Chile, la información de este trabajo se basa en datos entregados por Directemar (Departamento de Señalización Marítima). El proyecto da a conocer lo que significa la energía mareomotriz y sus aplicaciones, como una nueva fuente de energía para los sistemas eléctricos. Para aumentar la eficiencia eléctrica de las boyas se añadirá una alternativa para su consumo energético, además se realizará un estudio de factibilidad técnica y económica con el fin de aumentar la vida útil de las baterías de plomo ácido dispuestas en las boyas actualmente. El sistema eléctrico mareomotriz que se pretende desarrollar para el nuevo sistema consta de un estudio y diseño eléctrico del circuito con equipos, estimando potencias de consumo, corrientes, voltajes, los cuales se podrían obtenerse en el circuito a través de programas computacionales como el PSpice a través de ecuaciones y fórmulas matemáticas.
INTRODUCCIÓN
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CAPÍTULO 1 ENERGIA MAREOMOTRIZ 1.1 LAS MAREAS 1.1.1 Mareas de equilibrio 1.1.2 Marea Astronómica 1.2 Mareas Vivas y Muertas 1.2.1 Marea meteorológica 1.2.2 Factores que modifican las mareas 1.2.3 Componentes de las mareas 1.2.4 Análisis armónicos de las mareas 1.2.4 Tipos de mareas y niveles de referencia 1.2.4.1 Tipos de mareas 1.2.4.2 Nivel de reducción de sondas 1.3 POTENCIA DE LAS MAREAS Y SU ENERGIA CINETICA 1.4 CARTAS NAUTICAS
7 7 8 8 10 11 12 12 13 15 15 17 18 20
CAPÍTULO 2 SISTEMA ELECTRICO DE BOYAS Y SEÑALIZACION MARITIMA 2.1 SITUACION ACTUAL EN CHILE SOBRE ENERGIA MAREOMOTRIZ 2.2 SISTEMA DE BALIZAMIENTO NACIONAL 2.2.1 Términos generales 2.2.1.2 Generalidades 2.3 CARACTERISTICAS DE LAS BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA 2.4 CARACTERISTICAS ELECTRICAS
24 25 55 26 27 28
CAPÍTULO 3 DISEÑO ELECTRICO MAREOMOTRIZ 3.1 SISTEMA ELECTRICO DE BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA 3.1.1 Sistema eléctrico 3.1.2 Problemática 3.1.2.1 Estudio de posible solución 3.1.2.2 Diseño de sistema mareomotriz 3.2 DISEÑO PARA OBTENER ENERGIA DE LAS MAREAS 3.2.1 Turbinas 3.2.3 Factores que afectan la potencia 3.3. PROCESO DE TRANSFORMACION DE ENERGIA
31 31 31 32 35 35 36 36 40 42
3.3.1 Potencias 3.4 GENERADOR ELECTRICO 3.4.1 Generador 3.4.2 Generadores alterna 3.4.3 Generador sincrónico de imanes permanentes 3.4.4 Diseño del generador 3.4.4.1 Características del generador seleccionado 3.4.4.2 Diseño y cálculos de Potencias en el eje del Generador acoplado al eje de la turbina. 3.4.4.3 Voltaje de inducción en los terminales del Generador Imanes Permanentes 3.4.4. Convertidor CC-CC 3.4.4.1 Sistema de control de Voltaje
CAPÍTULO 4 SIMULACION DISEÑO SISTEMA MAREOMOTRIZ EN PSPICE 4.1.1 Diseño Sistema Mareomotriz 4.3 SISTEMA DE CONTROL SOLAR Y/O MAREOMOTRIZ 4.3.1 Microcontrolador PIC 4.4 FACTOR DE PLANTA 4.4.1 Causas de reducción del factor de planta 4.4.1.2. Calculo de Factor de planta 4.5 EVALUACION ECONOMICA 4.5.1 Cotización de sistema mareomotriz 4.5.2 Evaluación económica 4.5.2.1 Costos Actual sistema de las boyas de señalización marítima
42 43 43 43 44 45 45 46 48 49 50
51 57 57 60 60 60 61 61 62 62
CONCLUSIÓN
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BIBLIOGRAFÍA
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ÍNDICE DE TABLAS Pág. TABLAS Tabla 1-1: Régimen de mareas según el coeficiente F Tabla 2-1: Generador Eléctrico Imanes permanentes modelo NE-100s Tabla 3-1: Tensiones inducidas en el estator del generador Tabla 4-1: cotización de equipos
17 45 49 61
ÍNDICE DE FIGURAS Pág. FIGURAS Figura 1-1: Sistema sol-tierra lunas y orbitas Figura1-2: Esquemas de las mareas Figura 1-4: Sicigia y Cuadratura Figura 1.2.2 Factores que modifican las mareas Figura1-6: Tipos de Mareas 15 Figura 1-7: Resultado de las constituyentes armónicas Figura1-8: Carta Náutica Región de Valparaíso Figura 1-9: Puerto los Ángeles de Valparaíso Figura: 1-10: región de Viña del Mar Figura 1-11: Canal de Chacao Figura 2-1: Sistema B Figura 2-2: Estructura Boyas señalización Marítima Figura 2-3: Circuito eléctrico Boyas de Señalización Marítima Figura 3-1: energía solar (CNT) Figura 3-2: Tabla de irradiación global mensual y anual, para distintas Localidades de chile Figura 3-3: Tabla de irradiación global mensual y anual en la zona sur de chile Figura 3-4: Característica baterías de plomo ácido Figura 3-5: modelación y extracción de energía de mareas. Figura 3-6: Representación de una turbina por medio de una generación de la energía de las mareas. Figura3-7: velocidades de las corrientes de mareas Figura3-8: potencia extraída de la turbina Figura 3-8: Área de Barrido de una Turbina Figura 3-9: Generador de imanes permanentes 100 [W] modelo NE- 100S Figura 4-1: Circuito Mareomotriz Figura 4-2: Tensión a la salida de rectificador Figura 4-3: Circuito Mareomotriz tensión en condensador Figura 4-4: Forma de Onda Tensión a la Salida del Condensador Figura 4-5: circuito con medida de tensión en la carga Figura 4-6: onda de tensión en la carga Figura 4-7: onda de corriente Figura 4-8: corriente en los diodos Figura 4-9: corriente en inductor Figura 4-10: corriente en inductor Figura 4-11: lenguaje C del micro controlador Figura 4-12: Circuito de control sistema hibrido Solar-Mareomotriz funcionando normalmente Figura 4-13: Circuito de control, funcionando con Sistema mareomotriz
7 8 11 12 16 21 22 22 23 26 28 30 32 33 33 34 35 37 39 40 41 46 51 52 53 53 54 55 55 56 56 57 58 59 59
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INTRODUCCIÓN El Estudio se basa en datos recopilados acerca del potencial mareomotriz en chile. Este potencial es generado por las fuerzas gravitacionales del sol y la luna sobre la tierra y puede ser aprovechado a partir de los niveles de las aguas o las corrientes. En el mundo, la primera planta de generación eléctrica a través de las mareas fue la Central Le Rance (1967) en Francia, que aprovecha el desnivel de las aguas a cada lado de una represa. Los principales impactos ambientales se manifestaron por el bloqueo del ecosistema, cambios
en la salinidad y el
embancamientos indeseados por la represa. A finales de los años 70 se crearon nuevas tecnologías basadas en turbinas hidráulicas donde estas reemplazaron las represas por turbinas ya que este tipo de tecnología a diferencia de la anterior no bloquea físicamente el ecosistema. Estas turbinas hidráulicas diferencia de las represas estas aprovechan la energía cinética de las mareas, extrayendo un porcentaje al flujo que las atraviesan. Estas alternativas resulta interesante para elaborar este proyecto debido a que Chile es un país de mareas y oleajes, estuarios donde el régimen de las mareas logran inducir altas velocidades de corrientes. El proyecto se basa en el estudio de esta energía renovable y ver su aplicación en el funcionamiento de las boyas de señalización marítima de la armada de chile. En síntesis complementar el actual sistema eléctrico que ocupa con energía solar añadiendo a través de los generadores mareomotrices para aumentar las eficiencias de la señalización marítima (DIRECTEMAR) en la cual nuestra información se basa exclusivamente en los datos entregados por la institución respectiva.
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CAPÍTULO 1
ENERGIA MAREOMOTRIZ
1.1
Las Mareas Las Mareas son los movimientos de ondas de las aguas de gran longitud
causada por los movimientos relativos de la luna y el sol respecto a la tierra. Estos movimientos producen variaciones de la fuerza gravitacional resultante en la superficie terrestre. El comportamiento de las mareas es notoriamente periódico debido a los movimientos relativos de la luna y el sol respecto a un punto de la tierra, el que resulta de la superposición de los movimientos periódicos de la traslación de la tierra respecto al sol, la traslación de la luna respecto a la tierra tal como se muestra en la figura 1-1 y la rotación de la tierra en su eje. El nivel del mar puede presentar hasta dos valores mínimos (bajamares) y máximos (pleamares) durante el día, con distintas amplitudes según lugar y la posición relativa entre los astros. La diferencia de pleamares y bajamares consecutivas es conocida como rango de mareas y es características de cada localidad (SHOA, 1992).
Figura 1-1: Sistema sol-tierra luna y orbitas
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Figura1-2: Esquemas de las mareas
1.1.1 Mareas de Equilibrio
La marea de equilibrio es la teórica que ocurriría si no existiesen influencias hidrográficas como la obstaculización de continentes y las aguas respondiesen instantáneamente a las fuerzas astronómicas. Su determinación puede realizarse con un análisis estático de la fuerza gravitacional y centrípeta que experimentan los cuerpos en la Tierra. Además de las fuerzas de carácter astronómicos .existen otras fuerzas como la meteorológica que pueden modificar la marea de equilibrio. A continuación se describe la marea de equilibrio astronómica y se analizan las fuerzas meteorológicas. Para la obtención de mareas de equilibrio es posible considerar el análisis estático que forma parte de la teoría de mareas de Newton en el que considera los astros como cuerpos con movimiento orbital, pero sin rotación
1.1.2 Marea astronómica
Las mareas astronómicas es la resultante de los niveles del mar a las que fuerzas de atracción que generan el sol y la luna sobre la tierra. Según Newton
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para el planteamiento de su teoría asume que la tierra es una esfera sin continentes y que las orbitas de la luna y la tierra son circulares. Según Newton, la fuerza que un astro ejerce sobre otro se denomina fuerza de atracción gravitatoria, la que es contrarrestada por una fuerza centrípeta que los cuerpos experimentan al describir una trayectoria curvilínea en torno al centro de masas del sistema. La magnitud de esta fuerza viene dada por la siguiente formula.
(1-1)
F
:
Fuerza resultante gravitacional
Msl : Masa de la Luna o el Sol Mt : Masa de la tierra G
:
Constante de gravitación Universal 6,67392×10 -11 m3/s2kg (medido el
año 2000 con un error de 0,0014%) D:
Distancia entre la tierra y los astros
Además, los astros experimentan fuerzas centrípetas, que actúan en sentido contrario a la fuerza de gravedad. La magnitud de la fuerza centrípeta viene dada por la siguiente ecuación. (1-2)
: R:
Velocidad angular del astro describiendo la orbita Distancia desde el centro de la masa hasta el centro de rotación
La fuerza centrípeta es igual a la atracción gravitacional en el centro de masa de los astros, evitando la colisión entre ellos. En otras posiciones fuera del centro de masa existe, sin embargo una desigualdad entre las fuerzas de gravedad y la fuerza centrípeta que causa variaciones del nivel del mar observado en la figura 1-3
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Figura1-3: Campo de fuerza resultante por la interacción de los astros
En la figura 1-3 se explica la fuerza resultante de los astros. La fuerza centrípeta de rotación sobre los astros (Fc) en torno al centro de masa del sistema tierra luna
(punto CG) con la atracción gravitatoria de la Luna (Fg)
produce una resultante (R) responsable de la aparición de mareas. En el caso de un océano sin límites, la masa de agua se deformaría hasta tomar la forma de elipsoide1
1.2 Mareas Vivas y Muertas
Como la luna órbita en torno a la tierra con un período aproximado de 27.3 días en donde estos astros están en conjunción (cuando la luna –sol-tierra se encuentran en línea recta) .En este caso ambos astros se suman sus fuerzas gravitacionales sobre la tierra llegando a alcanzar las máximas pleamares (mareas altas). A este fenómeno se les llama mareas de sicigias o mareas vivas Este fenómeno se aprecia cuando tenemos luna nueva (sin luna en el cielo) y luna llena (con luna en el cielo completamente).
En cambio, las mareas muertas o también llamada marea de cuadratura es donde las fuerzas gravitacionales de estos astros se contrarrestan dando una marea de amplitud mucho menor (mareas no tan altas ni tan baja), esto ocurre
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cuando la luna y el sol forman un ángulo de 90 grados entre sí con respecto a la tierra y tiene un periodo de ocurrencia de aproximadamente 14.75 días. Se puede apreciar este fenómeno cuando tenemos luna menguante o cuadrante (luna semi completa).En la figura 1-4 se puede apreciar las posiciones de los astros en su órbita en su período de marea de sicigia y cuadratura.
Figura 1-4: Sicigia y Cuadratura
1.2.1 Marea meteorológica
La variación de la presión atmosférica genera una variación de las fuerzas que actúan en la superficie del agua. Además los vientos en dirección del mar en dirección hacia las costas logran variar las intensidades del agua, por ende aumentar el nivel del mar en las costas. A diferencia de las mareas astronómicas, estas fuerzas variantes no son muy predecibles y suelen ocurrir en un intervalo de tiempo por lo general muy bajo, Por lo que permite despreciar estas variaciones en estudios y modelos de generación a través de las mareas a tiempos de largo plazo. En la figura 1-5 se mostrara las fuerzas de estas mareas influyentes en las aguas del mar.
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Figura 1-5: Presión en el Mar y acción del viento. 1.2.2 Factores que modifican las mareas
Factores que dependen del lugar geográfico de las aguas del mar es importante punto a analizar, ya que la presencia de continentes y la fricción de fondo marino impiden el flujo del mar, pudiendo existir distintos niveles de mareas en diferentes lugares difiriendo entre lugares con iguales mareas de equilibrio. En zonas costeras como canales, estrechos se puede apreciarse diferentes niveles de mareas a pocos kilómetros. El nivel de mareas analizadas en alta mar suele tener 1 metro menos que si se analiza el nivel de mareas en un punto cercano a las costas suele tener sobre 10 metros de altura. Estos factores se visualizan principalmente de puerto Montt hacia el sur de chile.
1.2.3. Componentes de las mareas
Debido a las fuerzas de los astros que ejercen sobre la tierra señales astronómicas, es posible determinar el comportamiento de las mareas mediante una señal senoidal
con una amplitud y fase. Esto se basa en un análisis
armónico de estas señales estudiadas por los mareógrafos. Las mareas puede descomponerse en constituyentes armónicos con una frecuencia determinada pero de fase y amplitud desconocida.
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El movimiento de la luna y el sol con respecto a la tierra viene dada por 6 ciclos y de las cuales se deducen todas las constituyentes astronómicas. En 1921 doodson definió 6 ciclos. Estos son:
El día lunar y solar que dura 24[h].
El periodo de traslación de la tierra en torno a la tierra que dura 27 días.
El periodo de traslación de la tierra en torno sol que dura 365 días.
El periodo de perigeo (la luna está más cerca de la tierra) que dura de la luna que dura 8.85 años.
El ciclo de meton que es igual a 18.61 años.
La rotación del perihelio (cuando la tierra está más cerca del sol) que dura 21000 años y que atrasa el perihelio 1 día cada 58 años. Los 2 primeros ciclos se pueden identificarse de las constituyentes de las
señales ya que su periodo es de 24 horas debido a los días lunar y solar. Como estas fuerzas gravitacionales aportan atracciones iguales y opuestas en la superficie de la tierra existen además las mareas diurnas y semidiurnas con un periodo de 12 horas. Las componentes de las mareas diurnas y semidiurnas pueden predecir el régimen de las mareas. Esto es un Factor muy importante para la navegación y embarcaciones ya que el navegador debe conocer las condiciones del mar para tener una navegación adecuada y sin mayores riesgos.
1.2.4. Análisis armónicos de las mareas
El análisis armónico de las mareas se utiliza para determinar la amplitud y fase de sus componentes armónicas en un determinado lugar, para predecir el régimen de las mareas. Se analiza la curva de las alturas de las mareas (subida y bajada de una marea en un cierto periodo de tiempo) en sus componentes armónicos las fundamentales para predecir las futuras mareas.
La curva de marea es la suma de varios armónicos complejos, amplitud, fase, frecuencia, periodo y magnitud. Una técnica para utilizar este análisis a
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través de ecuaciones matemáticas como la de los mínimos cuadrados o análisis de Fourier para un registro finito de los niveles de mareas.
Cada registro de nivel de marea se representa como una señal senoidal con su propio periodo y fase, su amplitud representa una contribución relativa del nivel medio del mar con respecto del total, mientras mayor es el registro de mareas en un intervalo de tiempo mucho mayor será mejor la predicción de las mareas a futuro. Para evitar la contaminación de las constituyentes determinables con otras desconocidas por su gran periodo, se realizan correcciones a la fase y la amplitud, denominado como corrección nodal. Así la marea queda definida por la siguiente ecuación.
(1-3)
Donde:
N(t): Nivel del mar
i :
Frecuencia angular de la constituyente.
ai
Ai(t): Corrección de amplitud de la constituyente i
Fi(t): Corrección de la fase de la constituyente
:
Amplitud de la constituyente i
Existen algoritmos como los proporcionados por Foreman (1977) para programar el análisis armónico de las mareas.T-tide es un programa que implementa un algoritmo para generar la predicción de las mareas por medio de las componentes de las armónicas corregidas.
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1.2.4 Tipos de mareas y niveles de referencia
Luego de determinar las señales armónicas podemos establecer el régimen o tipos de mareas que estamos obteniendo en un determinado lugar y estimar el nivel de reducción a partir del nivel del medio del mar
1.2.4.1 Tipos de mareas
De acuerdo al glosario y corrientes del SHOA (1992) se define como tipo o régimen de marea como la forma característica de la marea, con referencia a la onda diurna y semidiurna. Visto anteriormente en el primer trabajo las mareas se clasifican en diurnas (una pleamar y una bajamar), semidiurnas (dos pleamares y 2 bajamares) y mixtas (características de marea diurna y semidiurna)
Figura1-6: Tipos de Mareas Se han establecido criterios para determinar si el régimen de mareas corresponde a mareas diurnas y semidiurnas. El coeficiente de Courtier F utiliza
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dos constituyentes armónicas diarias y otras dos semidiurnas, que usualmente son las más dominantes.
(1-4)
Amplitud K1: Amplitud de la componente diurna solar de periodo de 24[h] Amplitud 01: Amplitud de la componente diurna lunar de periodo de 25.84 [h] Amplitud M2: Amplitud de la componente semidiurno lunar de periodo 12.42 [h] Amplitud S2: Amplitud de la componente semidiurno solar de periodo 12[h]
Según el valor de F, se define el régimen en la Figura 1-7, En la cual muestra las amplitudes de las constituyentes armónicas de una muestra de mareas respectivamente.
Figura 1-7: Resultado de las constituyentes armónicas Luego de obtener estas amplitudes de las componentes con el coeficiente F calculado, podemos determinar qué régimen de mareas tenemos en un determinado lugar.
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Tabla 1-1: Régimen de mareas según el coeficiente F
F 0-0.25
Régimen Semidiurno
0.25-1.5 Mixto, principalmente semidiurno 1.5-3
Mixto, principalmente diurno
>3
Diurno
1.2.4.2 Nivel de reducción de sondas
El nivel de reducción de sondas o NRS que corresponde a la mayor bajamar que puede ser alcanzado analizado en cualquier punto local. El valor de NRS puede determinarse o considerando la mayor bajamar en el periodo de sicigia durante el perigeo lunar. Otra forma de medir la NRS para obtener una mejor aproximación de esta se basan en los análisis armónicos de las mareas considerando la diferencia del nivel medio del mar y a la suma las amplitudes de la constituyentes armónicas M2, K2, S2, N2, K1, O1(generalmente dominante). Las cartas náuticas entregan las profundidades de este a costa de generar una mayor seguridad en la navegación.
Estos valores pueden variar con forzantes meteorológicas en el nivel del mar ya que las componentes armónicas varían considerablemente. Esto puede introducir errores en la determinación de las profundidades de la carta náutica (referido al NRS) ya que los modelos hidrodinámicos utilizados en estudio de generación mareomotriz.
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1.3. POTENCIA DE LAS MAREAS Y SU ENERGIA CINETICA
Todo movimiento de materia se puede transformar en energía cinética, al trasladarse todas las fuerzas de los astros a la superficie terrestre circulan para generar los bulbos y depresiones de equilibrio en otras localidades.
La energía de la marea se compone en potencial y cinética, siendo esta ultima extraíble mediante el uso de
turbinas mareales. Para el caso de un
caudal de agua que fluye a una velocidad
a través de un área transversal
, la potencia cinética queda expresada como:
[W]
(1-5)
Donde: D:
Densidad del fluido
Vo:
Velocidad del flujo
At :
Área transversal que atraviesa el flujo, donde el área depende del radio
de la turbina de la que queremos utilizar, con eje horizontal , su Área es de ,donde r es el radio de las aspas de la turbina o largo de esta.
Otra forma de analizar su energía cinética
para obtener la potencia
eléctrica es a través de las diferencia de las alturas de las mareas, las cuales llevan implícita una cierta energía potencial, que podría ser utilizada en alguna forma (por ejemplo, acumular en embalses adecuados). En general, la potencia será proporcional a la diferencia de nivel (∆H), y al caudal de agua utilizado (Q); es decir:
[W]
(1-6)
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Donde: D : Densidad promedio del agua del mar, 1027[kg/ ∆H : Diferencia de nivel del agua, en este caso, amplitud de la marea en [m] Q : Caudal de agua en [ G : Aceleración de gravedad 9.8 [m/s]
[W]
(1-7)
Pero Q=V*A en que V es velocidad del caudal de agua, en [m/s] y A representa el área transversal al caudal, en [m/s]
[W]
(1-8) *μ, donde μ es el factor de gasto, que
A su vez V= comúnmente es de 0.62. En donde:
[kW/
En síntesis con
]
(1.9)
ecuación 1 o 2 se puede determinar la potencia de
corriente de las mareas. En la ecuación 1 modela cuando generamos energía con las aspas de las turbinas, En cambio la ecuación 2 modela la acumulación de agua en embalses. Como en nuestro proyecto se trata de alimentar las boyas de señalización marítima a través energía mareomotriz de las mareas a través de un sistema eléctrico nos corresponde estudiar más a fondo la ecuación 1 ya que esta modela el flujo de agua y la potencia que generara la turbina. El potencial puede variar en un punto del mar con respecto a otro debido a la batimetría y fricciones
20
pueden generar variaciones en el campo de velocidades encontrándose zonas de altas y bajas de corriente.
1.4 Cartas náuticas
Las cartas náuticas
son una representación a escalas de rutas
navegables y regiones terrestres adjuntas. Estas cartas adjuntan información de las profundidades del mar y sus alturas, detalles y metros de las cercanías, nombre de sus canales, etc. Las cartas de navegaciones son de vital importancia para la navegación marítima.
Lo esencial en que utilizaremos este medio para nuestro trabajo ya que estas cartas entregan vital importancia que son las velocidades de las mareas en [Kn] que nos sirve para determinar la potencia eléctrica de las mareas en ese punto de la zona y para elegir la turbina necesaria para la generación de energía eléctrica.
Estas velocidades de mareas se muestran en las cartas náuticas se denotan por [ Kn ] que significan nudos. Un nudo es una medición de velocidad que significa 1 milla náutica por hora ,1 milla náutica corresponde a 1.852 [Km/h] aproximadamente 0.5144 [m/s]
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Figura1-8: Carta Náutica Región de Valparaíso
En la carta náutica podemos analizar nuestros datos de interés, como la velocidades de las mareas 1.6 [ Kn ] en el sector de muelle barón, En cambio a alta mar tenemos una marea de 0.7 [ Kn ], Con lo cual tenemos velocidades de mareas de aproximadamente 0.82 [m/s] y 0.36 [m/s] respectivamente.
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Figura 1-9: Puerto los Ángeles de Valparaíso
En punta de los ángeles la velocidad de las mareas es 1.4 [ Kn ] lo que equivale aproximadamente a los 0.72 [m/s].
Figura: 1-10: región de Viña del Mar
23
Velocidades de mareas 0.6 [Kn] que equivale a 0.30 [m/s]
Figura 1-11: Canal de Chacaos Velocidades de mareas 4 a 5 [Kn] lo que equivale aproximadamente a 2.572 [m/s].En otro punto de la zona podemos obtener hasta 9 [Kn] correspondiente a los 4.62 [m/s]. Como se puede ver en las teorías de las mareas explicadas anteriormente las mareas con mayor potencial para generar energía eléctrica se encuentran en las zonas más cercanas en canales, costas. Etc. Esto se debe por las profundidades y fricción de las zonas marítimas, también como la fuerza del viento que su energía es mayor cerca de los continentes, el régimen de las mareas y sus constituyentes armónicas se pueden ver ya que en el alta mar se deduce las presencia de las mareas de equilibrio de teoría de newton que solo actúan por las fuerzas de los astros que ejercen sobre la tierra.
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CAPÍTULO 2
SISTEMA ELECTRICO DE BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA
2.1
SITUACION ACTUAL EN CHILE SOBRE ENERGIA MAREOMOTRIZ
La compañía inglesa Garrad Hassan realizó un estudio sobre el potencial mareomotriz en Chile para desarrollar electricidad a partir de las olas y de las mareas. Las regiones donde tendría mayor potencial serian las de Valparaíso, Bío Bío y de los Lagos. Este estudio señaló que aprovechando un 10% de la energía de las olas y mareas producirían la misma cantidad de potencia que el sistema interconectado central y que la potencia bruto que produciría serían de unos 164 GW. Algunos resultados del estudio señalan que a partir de Valparaíso hacia el sur, se muestra un mejor índice de aprovechamiento del recurso, excluyendo eso sí las regiones de Aysén (XI) y Magallanes (XII) que dada su lejanía con centros de alta demanda energética, no hacen viable su instalación pese a lo beneficiosa de algunas localidades, como el Estrecho de Magallanes.(cita: fuente Diario la Tercera) En base a las conclusiones del informe, la energía mareomotriz presenta altas ventajas como la seguridad energética, bajos costos de implementación al compararlos con los beneficios netos, un bajo impacto medio ambiental y una reducción de los costos de la electricidad (cita: fuente Diario la tercera). En síntesis hay estudios e informes sobre la energía mareomotriz en chile pero no hay implementación y generación de este energía siendo chile un país con muchos mares, costas con puertos para el tráfico marítimo y desconocidas por la mayoría de la población chilena. Y esta energía posee buenos resultados de generación de electricidad en países que la han desarrollado e implementado este sistema como en España, Noruega, Suecia, Francia como en el estuario
25
del rio Rance que se instalo una central eléctrica con energía Mareomotriz para cubrir las necesidades de la ciudad de Rennes
2.2 Sistema de Balizamiento Nacional
2.2.1Términos generales
Balizas: Se considera como baliza una pequeña señal visual fija, en tierra o en el agua (que en territorio marítimo se les suele llamar boyas que es su término más conocido). Sus características visuales a menudo están definidas con marcas diurnas, marcas de tope y con números. Si tiene incluida una luz, tendrá un alcance menor a 10 millas náuticas. Puede ser reconocida por su forma, color, silueta, marca de tope o características de su luz o combinación de estos.
Boyas: Es una baliza situada en el mar que puede tener diferentes uso
pero generalmente se usa para las orientación de las embarcaciones.
Celda Fotoeléctrica: Dispositivo que permite que la señalización marítima
eléctrica este en funcionamiento durante las horas de oscuridad absoluta. Se designa con la sigla C.F.
Característica: Particularidades de coloración o de ritmo de una luz para
ayuda de la navegación, que permite identificarla.(Por ejemplo: luz fija.luz de destellos)
Luz Fija: Luz que aparece continuamente, uniforme y de color constante a
un observador inmóvil con relación a ella.
Luz Rítmica: Luz que se muestra intermitentemente con una periodicidad
regular (destellos).
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Luz Alternativa: Luz rítmica en la que la luz tiene coloración altérnate
2.2.1.2 Generalidades
En Chile existen alrededor de 300 boyas que cumplen con distintas funciones dependiendo de su color indica su función por ejemplo sentido de orientación de rutas de los buques, zonas de peligros, la recalada a un puerto, rutas preferidas para la navegación, señalizar obstáculos a la navegación, etc. Región de boyado: En chile se utiliza la región “B” del sistema internacional marítimo que quiere decir “verde a babor (dirección izquierda)” y “rojo a estribor (dirección derecha)” en la figura 2-1 se muestra la región de boyado.
Figura 2-1: Sistema B Marcas de babor son verdes y pueden tener luz verde y las marcas de babor son rojas y pueden tener luces rojas
Tipos de señales: El sistema de balizamiento marítimo nacional comprende de siete señales que pueden emplearse de forma combinada
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Señales Laterales: estas señales marcan los costados de babor y de estribor de la ruta a seguir. Indica la ruta preferida a seguir.
Señales Cardinales: Son señales para indicar la mayor profundidad en el área, o el lado más seguro para evitar un peligro, o para llamar la atención sobre una configuración especial de un canal navegable.
Señales de Peligro Aislado: Se colocan sobre un peligro de área reducida rodeadas de aguas navegables
Señales de Aguas seguras: Aguas navegables para seguir una ruta que no marca peligro en la navegación
Señales Especiales: no están para ayudar a la navegación, sino para indicar un área especial.
Señales Costeras: Su objetivo principal es marcar un punto de referencia para el control de la posición del buque.
Boyas de emergencia para la señalización de naufragio: se instalan lo más cerca posible del naufragio.
2.3 Características de las boyas de Señalización Marítima
En Chile se ocupan boyas TIDELAND SB 285 y cada boya tiene un costo de 50.00 dólares. Funcionan con paneles solares desde al año 1983. En la figura 2-2 se muestra las boyas TIDELAND.
Posee un diámetro de 2.5m
316 tubos de acero inoxidable para soporte de la sección del flotador
12 mm de espesor de paredes
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Secciones del flotador sellados y con dureza para el impedimento de la entrada del agua
8 baterías AGM configurado para 12 volts que se encuentran en medio de la sección
Paneles ubicadas al medio de la sección que soportan 90 w dependiendo de la carga de energía que posea
Kit de reparación con barras de soldadura de polietileno UV y parches para reparaciones
Figura 2-2: Estructura Boyas señalización Marítima
2.4 Características eléctricas
Estas boyas de señalización marítima poseen alimentación fotovoltaica a través de los paneles solares con un banco de baterías y la carga que en este caso son las luces y destellos de la boya de acuerdo a sus tipos de señales y función que cumplen. Los 2 paneles solares constituidos por células cuadradas de silicio mono cristalino que se encuentran al interior de la boya. Se cargan con la energía
29
solar para transformarla en corriente continua a baja tensión de 12 volts. Posee bancos de baterías para cargarlas durante el día y en la noche funcionan como fuente de tensión de la carga Los bancos de baterías son de níquel cadmio y plomo acido Baterías Níquel cadmio: el electrolito que ocupa es de alcalino. Posee un alto costo alrededor de 1 millón de pesos. Tiene una vida útil alrededor de los 15 años y está presente dentro de la minoría de las boyas de la armada de chile. Características eléctricas y físicas de las baterías níquel cadmio Cada celda de la batería posee 1.2 [V]. Material de carcasa: plástico P.V.C. Tipo de terminales: chicote con enchufe. Color negro indica polaridad negativo, color rojo indica polaridad positiva. Voltaje de carga recomendado: 15.5 a 16.5 (Para un banco de 12 volts nominal) Voltaje de carga máximo: 16.5 [V] Voltaje de flotación recomendado: 14.0 a 14.2 [V] Auto descarga (%mes): 4.5% Temperatura Óptima: Entre 10 y 30ºc.
Baterías de Plomo acido: Es una batería de bajo costo, sus componentes son el plomo y el acido sulfúrico. Tiene un costo de 150.000 pesos y su vida útil alrededor es de 3 años con 12 volts nominal. Las marcas de las baterías plomo acido usadas son las APB-200. Se encuentra en un 80% del total las boyas de la armada y posee un problema de voltaje que al descargarse completamente la batería queda desecha ya que el problema se tiene que no puede descargarse hasta el 52% de su capacidad amperes horas ya que al no estar cargada el material de plomo comienza a perder oxigeno y dañar las placas del material. A esto se le agrega al circuito un regulador que controla tensión que no supere los valores nominales de la batería para que no sobrecargue la batería.
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Figura 2-3: Circuito eléctrico Boyas de Señalización Marítima
Funcionamiento: Como se puede apreciar en la figura los 2 paneles solares conectados en paralelo transforman la energía solar en corriente pasando por el tablero de control que es una caja plástica que está compuesto por 2 diodos de 6amperes-100volt, interruptores térmicos de 6amperes, fusibles 10 [A] y regletas para alimentar la fuente de luz con 12 [V] y cargar el banco de baterías. Cuando La batería funciona como fuente de tensión que esto ocurre durante el transcurso de la noche actúa como carga la fuente de luz y los
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paneles solares. Para evitar que el panel solar actué como carga ya que en un circuito con 2 fuentes de tensión domina la que tenga mayor tensión en este caso la batería níquel cadmio y plomo acido ya que están funcionando están en el tablero de control los diodos que al llegar corriente por el cátodo (polaridad positiva) este tiene polarización inversa que el diodo actúa como un circuito abierto
desconectando totalmente del circuito los paneles solares y así
solamente cargando la fuente de luz. Además posee un indicador de control de carga y voltaje (función similar a la de un tester digital). Los interruptores térmicos y fusibles protegen las baterías y fuente de luz en caso de sobre corriente del sistema desconectándose automáticamente y fusible quemándose respectivamente soportando solamente corrientes hasta 6 a 7 [A].
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CAPÍTULO 3
DISEÑO SISTEMA ELECTRICO MAREOMOTRIZ
3.1 SISTEMA ELECTRICO BOYAS DE SEÑALIZACION MARITIMA
3.1.1 Sistema eléctrico El actual circuito de las boyas de señalización marítima se compone a través del siguiente esquema eléctrico: -2 Paneles solares. -Regulador de tensión. -Baterías niquel cadmio y de plomo acido. -Fuente de luz. -Celda fotoeléctrica.
El sistema eléctrico de las balizas funciona con 2 paneles solares las cuales con la irradiación solar permite alimentar las baterías y estas a su vez poseen un regulador de voltaje que desconecta el sistema cuando las baterías están cargadas en un 100 % de los paneles solares, La batería comienza a actuar como fuente de voltaje para alimentar la fuente de luz.
3.1.2. Problemática
Los paneles solares funcionan en máxima eficiencia cuando la irradiación solar es alta, esto ocurre en épocas de verano y primavera, en invierno y otoño ocurre la baja radiación solar
por lo que los paneles son insuficientes para
generar energía para alimentar las baterías.
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Figura 3-1: energía solar (CNT)
Panel solar debe tener un ángulo de inclinación entre 30 o 40°c. Las leyes de radiación postulan que cualquier objeto emite energía radiante cualquiera sea su temperatura, por ejemplo el sol, la luna, la tierra, las personas, los objetos, etc. Los objetos que poseen más temperatura irradian más energía total por unidad de área que los objetos más fríos. En conclusión cuando el sol está más cerca de la tierra irradia mayor fuerza solar sobre el cuerpo celeste como se puede ver en la figura 3-1 atraviesa los paneles solares en forma perpendicular para tener un mejor aprovechamiento de energía. En la siguiente figura 3-2 y 3-3 se observa tabla mensual de irradiación mensual en la región de Chile
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Figura 3-2: Tabla de irradiación global mensual y anual, para distintas localidades de chile
Figura 3-3: Tabla de irradiación global mensual y anual en la zona sur de chile
De las tablas de irradiación se deduce que en las épocas de otoño e invierno la radiación solar disminuye considerablemente sobre todo en la zona sur del país.
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Las baterías de plomo acido tienen una vida útil alrededor de los 3 años, el problema de este componente que su descarga no puede sobrepasar los 52% ya que el material de plomo comienza a perder oxigeno y en consecuencia dañar el material. El tiempo de duración de descarga es de 4 días y su capacidad es de 105 A-H (a rango de 100 horas a 25°c). Este problema ocurre en periodos de días nublados o de baja radiación solar.
Figura 3-4: Característica baterías de plomo ácido
El rendimiento de los paneles solares es de un 90% lo cual se deduce que este sistema de paneles solares es muy eficiente ya que solo el 10% se deduce en pérdidas.
3.1.2.1 Estudio de posible solución
Como el rendimiento de paneles solares es de un 90%, la idea es aumentar la eficiencia del sistema eléctrico de las boyas, añadiendo un sistema de energía mareomotriz para aumentar al 10% que resta del total.
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3.1.2.2 Diseño de sistema mareomotriz
Según lo descrito anteriormente, la potencia de las energía cinética y el potencial de las mareas. Dentro de los datos entregados por la armada todas las boyas de señalización marítima poseen un consumo de 6 [W] funcionando durante el transcurso de la noche. La turbina convierte la energía cinética en mecánica, entregándosela a la transmisión, solo se extrae un porcentaje de la energía total del flujo que la atraviesa llamándose eficiencia de transmisión, la transmisión recibe la energía extraída del tipo mecánica y varia la velocidad del torque para que el generador la convierta en energía eléctrica. En la siguiente figura 3-5 se muestra el esquema de transmisión de energía.
Figura 3-5: modelación y extracción de energía de mareas.
Luego de la generación de energía eléctrica con un voltaje nuestra carga será las baterías de plomo ácido. A continuación en la figura 4-5 se mostrará un circuito con entrada alterna y a través de rectificadores convertirá la señal alterna en continua para alimentar baterías.
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3.2 DISEÑO PARA OBTENER ENERGIA DE LAS MAREAS
3.2.1 Turbinas
El método de generación de energía a veces confunde muchos con otros, el diseño de generación de energía mareomotriz es similar al de sistema de generación de energía de eólica. En particular la forma más
adecuada de obtener energía eléctrica a
través del mar es aprovechando el desplazamiento de las grandes masas de agua que son producidas por los niveles de diferencias de las mareas de pleamar y bajamar producidas por las forzantes gravitacionales de la tierra la luna y el sol, permitiendo encauzar, o bien retener este cambio brusco de las mareas con la implementación de un dique que atrape el mar cuando este en su etapa de pleamar. Por consiguiente se deja escapar el agua a una razón que genere energía eléctrica, casi del mismo modo que se genere energía hidráulica, por un conducto que lleve que lleve a una turbina, la que mueve el eje de esta conectada a un generador transformando la energía mecánica a energía eléctrica, a diferencia de la energía hidráulica, esta energía del mar siempre está disponible independiente de la época siempre está disponible, independiente que haya sequia
Figura 3-6: Representación de una turbina por medio de una generación de la energía de las mareas.
38
En este caso las turbinas aprovechando la energía de las mareas en sus etapas de pleamar y bajamar como mostrada anteriormente la ubicamos cerca de las costas ya que ahí están las rutas de navegación de los barcos que las señaliza las balizas de señalización marítima de la Armada de Chile. Estas turbinas en este proyecto deben estar ancladas en el suelo del mar para no ser arrastradas suponiéndose en el caso de que se existan temporales de vientos y presión atmosférica que afecten una mayor amplitud de mareas y estas turbinas a consecuencias de estas puedan salir del subsuelo modificando todo su sistema y generando una estabilidad no requerida y por consiguiente no logre obtener el resultado requerido para alimentar con energía eléctrica las boyas de señalización marítima. Aunque este caso es poco recurrente pero aun así es importante tenerlo en cuenta y asegurar las turbinas que estén ancladas al subsuelo del mar aunque cualquier turbulencias o huracanas que puedan ocurrir en las épocas durante el año
El diseño como hemos mencionado, una turbina que gire a través de los niveles de mareas en las épocas de sicigias donde la tierra la luna y el sol con su fuerza gravitacional se encuentran en línea recta generando entre estos astros gravitacionales una mayor forzante generando los niveles de pleamar y bajamar .Esta turbina aprovechando su flujo mostrado en la figura 3-6 absorberá la potencia de las corrientes de mareas donde estas turbinas no absorberán toda la energía de las mareas y convertirla en energía mecánica según la ley de Betz. Estas turbinas y su eficiencia de transmisión en la energía mareomotriz son similares a las energías de los vientos conocidos como la fuente renovable de las energías eólicas. En estos ambos casos comparando los sistemas para producir energía eléctrica a través de las nuevas fuentes de energía no convencionales de estos dos sistemas es similar su circuito eléctrico y la ley de Betz es válida para ambos casos y en especial para el proyecto de energía de las mareas que estamos analizando.
39
3.2.2 Ley de Betz energía de transmisión de las turbinas
Según la ley del físico alemán que la aplico a las turbinas y comprobadas notoriamente a las energías eólicas de las turbinas y estas son ocupadas en las centrales mareomotriz. No obstante nos basaremos en esta ley para nuestro proyecto ya que utilizaremos este componente para aprovechar la energía de las mareas para convertirla en energía cinética ya que el procedimiento en la aplicación en la eficiencia de transmisión de la energía eólica y mareomotriz es similar. Dado que la energía de las mareas depende de las diferencias de pleamares y bajamares, por lo tanto cual será la energía que se podrá extraer de la potencia de corriente de las mareas. Para calcular la potencia promedio aprovechada por el rotor se debe ocupar la ley de Betz que es demostrada de la siguiente manera: La velocidad promedio de la potencia de corriente de mareas sin perturbar es antes de pasar por las turbina es v1, y la velocidad después de su paso por la turbina es v2, esto es (v1+v2)/2. (Manual de demostración de Ley de Betz)
Figura3-7: velocidades de las corrientes de mareas El caudal másico es la masa de la corriente de mareas a través del rotor durante un segundo y su ecuación es: (3-1)
40
Donde M es la masa por segundo, D es la densidad del mar, A es el área barrida por el rotor y [(v1+v2)/2] es la velocidad de las mareas promedio a través del área del rotor. La potencia de las mareas extraída por el rotor es igual a la masa por la diferencia de los cuadrados de la velocidad de las mareas (3.2) Sustituyendo en esta expresión la m' de la primera ecuación obtenemos la siguiente expresión para la potencia extraída del mar: (3.3) Ahora, comparemos nuestro resultado con la potencia total de una corriente de viento no perturbada a través de exactamente la misma área A, sin ningún rotor que bloquee el paso de mareas. Llamamos a esta potencia P0: (3.4) La razón entre la potencia que extraemos de las mareas y la potencia de las mareas sin perturbar es:
(3.5)
41
Figura3-8: potencia extraída de la turbina:
En el grafico se obtiene P/P0 con relación a v2/v1. De esta figura se deduce que en la relación de las velocidades del mar se la máxima potencia que se puede extraer de las mareas es de 0,59 veces de la potencia total de la energía de las mareas cuando v2 y v1 están en una razón de 1/3.
3.2.3 Factores que afectan la Potencia
A partir de la ecuación anterior se puede observar que hay tres factores que afectan la potencia de salida en el eje de la turbina:
a) La velocidad de la corriente de agua
La potencia del eje de la turbina es proporcional al cubo de la velocidad de la corriente aguas arriba. Esto significa que si se duplica la velocidad del agua, la potencia de salida del rotor será incrementada por un factor de ocho.
42
b) Área de barrido del rotor
La potencia en el eje de la turbina es directamente proporcional al área de barrido del rotor.
Figura 3-8: Área de Barrido de una Turbina
c) Coeficiente de Potencia
La potencia de salida es además directamente proporcional al coeficiente de potencia. Es imposible extraer toda la energía del agua fluente porque el agua que ha pasado por el rotor debe alejarse de este y por lo tanto
debe
aun
tener
alguna
teóricamente que el máximo
energía
cinética.
Se
puede
mostrar
coeficiente de potencia (Cpmax) es 0,59 (ley
Betz). En la siguiente fórmula al obtener una turbina se aplica lo siguiente:
(3.6)
43
3.3 Proceso de transformación de Energía
La energía es capturada en su forma primitiva como energía cinética del agua, hasta llegar a representarse por un determinado valor de tensión y corriente eléctrica, pasando por diversas transformaciones mecánicas.
3.3.1 Potencias
Como se aprecio en la Figura 3-8 D es el diámetro del círculo barrido de las aspas de las turbinas con la cual se puede ir analizando el proceso de transformación de energía en la cual:
(3.7)
Luego Obtenemos la eficiencia del sistema
(3.8)
Donde:
Pg= Potencia de salida del Generador (W) P = Potencia que se obtiene de las mareas Ntr = Eficiencia de transmisión que corresponde al 85% Ng = Eficiencia del generador como lo veremos más adelante, se ocupara un generador de imanes permanentes con una eficiencia alrededor de los 66% para potencias pequeñas.
44
Por lo tanto al reemplazar en la ecuación (3.8) queda lo siguiente:
(3.9)
3.4 GENERADOR ELECTRICO
3.4.1 Generador
Es el componente productor de la energía eléctrica que se acopla directa o indirectamente al eje de la turbina. Es la parte encargada de transformar la energía mecánica recibida por el rotor en energía eléctrica útil. Existen dos tipos de generadores, en general, los de corriente alterna CA y los de corriente continua CC, siendo más usados los de CA debido a que trabajan bien a distintas velocidades de giro [RPM], mientras que los de CC necesitan de rpms casi constantes y altas velocidades de rotación lo cual no es muy fácil de conseguir con una Turbina de Río debido a la naturaleza variable de la velocidad del río que provoca también la variación de la velocidad de giro del rotor
3.4.2 Generadores Alterna
Los generadores de corriente alterna o simplemente alternadores pueden ser de tipos: monofásicos y trifásicos. Comercialmente se pueden adquirir generadores monofásicos para cubrir todos los rangos de potencia, mientras que los trifásicos cubren los rangos de 2– 3 Kw. Sin embargo, la generación monofásica se utiliza en esquemas menores a 10 – 15 Kw. ya que, por debajo de esta potencia nominal, las cargas individuales representarían un gran porcentaje del total de la capacidad del generador y balancear las cargas se tornaría muy difícil. Entre los generadores de velocidad constante se
45
tiene el síncrono aplicable para potencias medias y altas, el de inducción para potencias pequeñas y el de magnetización permanente (imanes permanentes), para potencias muy pequeñas.
3.4.3 Generador sincrónico de Imanes Permanentes
Para generadores de pequeñas potencias y de bajas velocidades de mareas el más conveniente para el diseño mareomotriz es el generador de imanes permanentes, ya que el circuito de las boyas posee un consumo alrededor de los 6 [W], y este generador esta con el fin de utilizarlo como alternativa para cargar las baterías de plomo acido. El generador de imanes permanentes trabaja muy bien a velocidades de giro variable y por lo tanto compatibilizan con las velocidades de giro que se puedan obtener de las mareas, además son para consumos de bajas potencias Las ventajas de este generador son el acoplamiento directo de las partes móviles del generador con el eje de las aspas de la turbina que evita el uso de un sistema de engranajes, estas cajas agregan ruidos, vibraciones y fatiga al sistema de generación, además requieren lubricación y mantención. Los rotores con los imanes que lo componen actúan como enfriadores, enfriando los enrollados del estator. Se aumenta la eficiencia al eliminar excitar el campo como en los generadores síncronos así disminuyendo costos de operación. En este tipo de generador la tensión de salida depende únicamente de la velocidad de giro del rotor. Al no tener una corriente de excitación variable a cierta velocidad de giro el generador se saturara. Se aumenta la confiabilidad del equipo al disminuir piezas que lo componen.
3.4.4 Diseño del generador
Al tener en cuenta que sistema eléctrico de las Boyas poseen 2 paneles solares de 50 [W] conectados en paralelo, el diseño del generador constara de
46
una potencia de 100 [W], para acercarnos a los valores similares a la de los paneles teniendo las mismas características eléctricas para estimar un poco más del valor calculado para tener las dimensiones adecuados para un bajo consumo de estos.
3.4.4.1 Características del Generador Seleccionado
Se utiliza un generador de marca NE-100S trifásico, para acoplar con el eje de la turbina, de la empresa alibaba MODELO
NE-100S
TIPO DE GENERADOR
IMANES
PERMANENTES
CONEXIÓN ESTRELLA ENERGIA CLASIFICADA
100W
ENERGIA MAXIMA
130W
VOLTAJE CLASIFICADO
AC 12/24 V
PESO
NETO
DEL 5.1 kg
GENERADOR VIDA UTIL
20-25 AÑOS
LAMINAS
FIBRA DE NYLON
NUMERO DE LAMINAS
305
DIAMETRO DE RUEDA
1.2m
VELOCIDAD DE ROTOR
400RPM
MINIMA VELOCIDAD
[2 m/s]
VELOCIDADVIENTOCLASIFIC
[10m/s]
ADA VELOCIDADSUPERVIVENCIA
[65m/s]
MANERADEREGULACION
IMAN ELECTROLITO/DESVIO
LUBRICADOR
GRASA
TEMPERATURA AMBIENTE
-40F° A 176F°
3
FASES
47
PUEDENSUMINISTRAR A
BATERIAS,VENTILADOR,FAROLA,HOMELI GHTS
Tabla 2-1: Generador Eléctrico Imanes permanentes modelo NE-100s
Figura 3-9: Generador de imanes permanentes 100 [W] modelo NE- 100S
3.4.4.2 Diseño y cálculos de Potencias en el eje del Generador acoplado al eje de la turbina.
A) Eficiencia total del sistema. Nt=Cp*Ng*Ne. Nt=0.35*0.66*0.85 Nt=19%
B) Perdidas en una turbina: Pmareas = (1/2)*π*(d/4)^2*v^3*1027 Peje
= Pmareas*Cp
∆P1
= Pmareas-Peje=Pmareas(1-Cp)
48
C) En la transmisión:
Peje=Pmareas*Cp Peg=Pmareas*Cp*Ntr, Peg=Potencia entrada del generador. ∆P2=Peje-Pmareas=Pmareas*Cp*(1-Ntr).
D) En el Generador:
Peg=Pmareas*Cp Psc=Pmareas*Cp*Ntr*Ng,Psc=Potencia salida generador. ∆P3=Peg-Psc=Pmarea*Cp*Ntr*(1-Ng).
Criterio de diseño
A) Pmareas=700[W] Peje=700*0.35=245 ∆P1=455[W]
B) En la transmisión
Peje=245 Pg = 700*0.35*0.85=208.25 [W] ∆P2=36.25 [W]
C) En el Generador
Pg=208.25 [W] Psc=700*0.35*0.85*0.66=137.445[W] ∆P3=70.80 [W]
49
3.4.4.3 Voltaje de inducción en los terminales del Generador Imanes Permanentes
Por medio de ensayo de vacios de generadores de 100[W] se determina su tensión interna, a esto agregar que dependiendo de la velocidad de giro del rotor acoplado a la turbina se tendrá dicho voltaje:
Ea=K*φ*n Donde: Ea= Tensión inducida en los terminales del generador K = Constante de fabricación. Φ = Flujo que atraviesa el estator. N = Velocidad de giro del rotor.
Velocidad de las
Velocidad de giro
Tensión inducida a la salida del
mareas(m/s)
del roto(R.P.M)
generador Ea(línea-linea)
V
N
0.37
140.33
0.605
1
382
10
1.8
687
16
2
737
18,32
3
760
23,57
3.6
1375
31
Tabla 3-1: Tensiones inducidas en el estator del generador
50
Como se puede concluir, a velocidades de Mareas de 2 a 3 [m/s], se podrá obtener generación de energía, En Valparaíso y Viña del mar es poco probable obtener energía del mar, ya que como se vio en cartas náuticas las mareas en altamar poseen una baja velocidad en la cual es casi imposible generar electricidad.
3.4.4. Convertidor CC-CC
Para cargar baterías de plomo acido estas aguantan como máximo una tensión 13.8v y una tensión nominal de 12v continuos, Se requiere de un convertidor cc-cc como buck , boost o un buck-boost para regular la tensión de salida a los 12v constante. El generador de imanes permanentes su tensión generada va a depender de la velocidad de giro del rotor y este a la velocidad de las mareas, entonces no se tendrá una tensión de entrada constante.
Al aplicar una tensión de entrada el convertidor buck se encarga de disminuir esa tensión a través del ciclo de trabajo D donde:
Ton=
D*Ts; D=Vin/Vout
Ts =
1/Fs
Toff =
(1-D)*Ts
Donde:
Ts =
Periodo de la conmutación
Fs =
Frecuencia de conmutación
Ton =
Tiempo de encendido del transistor.
Toff =
Tiempo de apagado del transistor
51
3.4.4.1 Sistema de control de Voltaje
Para entradas variables donde la tensión o corriente de entrada son variables se necesita controlar el convertidor para lograr tener una tensión de salida constante.
Existen 2 métodos de control:
1) Control modulación de anchos de pulso (PWM) 2) Método de control de frecuencia variable
1) Consiste en mantener la frecuencia de conmutación constante y solo varia los tiempos de encendido del transistor y por ende el ciclo de trabajo.
2) consiste en variar la frecuencia de conmutación del convertidor y mantener fijos los tiempos de encendidos del transistor, al igual que el PWM la finalidad es la misma de variar el ciclo de trabajo. D=Ton/Ts.
52
CAPÍTULO 4
SIMULACION DISEÑO SISTEMA MAREOMOTRIZ EN PSPICE
4.1.1: Diseño Sistema Mareomotriz
El diseño del sistema mareomotriz se muestra a continuación en figuras modelado en
programa computacional de electrónica de potencia PSPICE
donde la tensión de entrada de generador trifásico de imanes permanentes que se aplica correspondiente a lo que genera la turbina de eje horizontal a velocidades de mareas de 2 a 3 m/s y consta de los siguientes componentes eléctricos:
-Turbina anclada en la parte inferior de la baliza -Generador de Imanes Permanentes -Rectificador Trifásico con diodos de alta frecuencia -Condensador de 100 [ uF ] -Convertidor CC-CC Buck
Figura 4-1: Circuito Mareomotriz
53
38.5V
35.0V
30.0V
25.0V
20.0V 794.90ms 794.91ms V(L6:1,D6:1)
794.92ms
794.93ms
794.94ms
794.95ms
794.96ms
794.97ms
794.98ms
794.99ms
795.00ms
Time
Figura 4-2: Tensión a la salida de rectificador
Vsalida max=29,914[v] Vsalida min= 26,009[v] ∆ Vsalida= 3,905[v] Vsalida medio=28,380[v]
Por tanto el porcentaje de rizado con respecto a la entrada corresponde al 21,25% Por consiguiente se necesita diseñar un condensador en paralelo para disminuir el rizado
54
Figura 4-3: Circuito Mareomotriz tensión en condensador
28.8V
28.6V
28.4V
28.2V
28.0V 0.99970s 0.99972s V(L6:2,C5:1)
0.99974s
0.99976s
0.99978s
0.99980s
0.99982s
0.99984s
0.99986s
0.99988s
0.99990s
0.99992s
0.99994s
0.99996s
Time
Figura 4-4: Forma de Onda Tensión a la Salida del Condensador
Salida del rectificador se ocupo un condensador de 100 [uF] Vs max = 28,64 [V] Vs min = 28,08 [V] ∆ Vs
= 0,561 [V]
En salida del rectificador se ocupo un condensador de 100 [ uF]
0.99998s
55
El porcentaje de rizado al conectar un condensador en paralelo disminuyo al 3,04 % con respecto a la tensión de entrada
4.2. Diseño Convertidor Buck
Se diseña un convertidor Buck con los siguientes parámetros para regular tensión Vin = 28.480v Vout = 12v D
= 0.44
Fs
= 30K [Hz]
Ts
= 33us
Ton = 14.52us Toff=18.92us
Figura 4-5: circuito con medida de tensión en la carga
56
12.084V
12.080V
12.076V
12.072V 0.99970s 0.99972s 0.99974s 0.99976s 0.99978s 0.99980s 0.99982s 0.99984s 0.99986s 0.99988s 0.99990s 0.99992s 0.99994s 0.99996s 0.99998s V(L4:2,R6:1) Time
Figura 4-6: onda de tensión en la carga
3.021A
3.020A
3.019A
3.018A
3.017A 0.99950s -I(R6)
0.99955s
0.99960s
0.99965s
0.99970s
0.99975s
0.99980s
0.99985s
Time
Figura 4-7: onda de corriente
0.99990s
0.99995s
1.00000s
57
8.0A
4.0A
0A
-4.0A 0.99980s 0.99982s I(D8)
0.99984s
0.99986s
0.99988s
0.99990s
0.99992s
0.99994s
0.99996s
0.99998s
Time
Figura 4-8: corriente en los diodos
6.0A
4.0A
2.0A
0A 0.99980s 0.99982s I(L4)
0.99984s
0.99986s
0.99988s
0.99990s
0.99992s
0.99994s
Time
Figura 4-9: corriente en inductor
0.99996s
0.99998s
58
4.0A
2.0A
0A
-2.0A
-4.0A 0.99980s 0.99982s -I(C6)
0.99984s
0.99986s
0.99988s
0.99990s
0.99992s
0.99994s
0.99996s
0.99998s
Time
Figura 4-10: corriente en inductor
4.3 SISTEMA DE CONTROL SOLAR Y/O MAREOMOTRIZ
4.3.1 Microcontrolador PIC
Este micro controlador es la unidad central de cálculo (CPU) y significa que es el encargado de actuar sobre los distintos elementos en base al procesamiento de la información programado en lenguaje C. El uso de PIC es para seleccionar el sistema de carga de las baterías (panel solar o mareomotriz). Dependiendo del voltaje que entregue el panel solar
Esta es una aplicación Básica del microcontrolador, que solamente controlara el switch de un relé estado sólido que se activa solo cuando le llegue la información del PIC, cambiando el sistema eléctrico que ocuparan las boyas, El sistema de control se simulo en el programa PROTEUS
59
-Variables de control=voltaje de salida de celda solar superior a los 10v. -Variable de control= velocidad de las mareas igual o superior a los 2m/s. -Tiempo de muestreo de señales análogas 30 segundos.
Figura 4-11: lenguaje C del micro controlador
60
Figura 4-12: Circuito de control sistema hibrido Solar-Mareomotriz funcionando normalmente
Figura 4-13: Circuito de control, funcionando con Sistema mareomotriz
61
4.4 Factor de Planta
Se define como factor de planta al cuociente entre la capacidad de potencia instalada de uso de generador mareomotriz con respecto al total de su capacidad, también se le conoce como el factor neto o el factor de carga.
4.4.1 Causas de reducción del factor de planta
En la práctica, el factor de planta no es nunca del 100%. Se ve disminuido por las siguientes causas:
a) Las operaciones de mantenimiento, los fallos más o menos largos de equipamientos, etc.
b)
La
ausencia
de demanda de
electricidad
que
obliga
a
los
administradores de red a disminuir o parar la producción en algunas unidades.
c) La intermitencia o irregularidad de la fuente de energía como es, por ejemplo, el caso de la energía solar o la energía eólica, respectivamente.
4.4.1.2. Calculo de Factor de planta
Se tomo como referencia el mes de noviembre en canal de Chacao, donde las pleamares y bajamares superen los 6[Kn] de velocidad de mareas estimando una potencia alrededor de los 24 [W], a las velocidades de los 2 o 3 [m/s].
62
-Velocidad de mareas en periodo de sicigia (luna llena y luna nueva) 3m/s correspondiente una potencia de 24[W] en un periodo de 16 días y 15 horas -Generador
funcionando
constantemente
24W*3600*30
días*24
horas=62208[KW-mes] -Generador funcionando en un periodo de 16 días y 15 horas 24[w]*3600*16días*15 horas=20736[KW-mes] -Factor de planta=33,453%
4.5 EVALUACION ECONOMICA
4.5.1 Cotización de sistema mareomotriz Producto
Costo( en pesos chilenos)
Turbina 700w
$115.445
Generador NE-100
$70.536
Rectificador Trifásico
$50.600
Cable 12 AWG
$4.202
Sensor
de
velocidad
AB $12.950
electronick Hall Interruptor Fotoeléctrico
$10.363
Total
$269.096
Tabla 4-1: Costos de equipos para implementación de energía mareomotriz
63
4.5.2 Evaluación económica
Costos Actual sistema de las boyas de señalización marítima:
Cantidad de balizas: 69 Cada baliza: 3 baterías 20% baterías níquel-cadmio: 20 años vida útil 80% baterías plomo-acido: 3 años vida útil
4.5.2.1 Costos Actual sistema de las boyas de señalización marítima Costos unitario boyas:$3.933.000 pesos Costo de instalación:$55.200.000 pesos Costos total boyas:$ 271.377.000 pesos Costos operación:$0 pesos Costos mantención: $331.200.000 pesos Vida útil baterías: 3 años VAN beneficios: 2.269.208.301
Costos implementación mareomotriz: Costo de instalación: $56.476.000 Costo mantención:$110.400.000 Costo de operación:$0 Depreciación baterías: 30.000 Vida útil baterías: 5 años VAN beneficios: 873.145.800
64
En conclusión al implementar el sistema mareomotriz
VAN es mucho
menor que VAN actual sistema. Esto se debe a que aumentaría la vida útil con el sistema mareomotriz de las baterías de plomo acido, ya que no sufriría las descargas como lo hace cuando paneles solares, no es lo suficientemente eficiente cuando la radiación solar es baja, etc
AHORRO nueva implementación: A=VAN actual- VAN implementación mareomotriz A=1.396.062.501
65
CONCLUSIÓN
El sistema mareomotriz es una nueva fuente de energía, en la cual ya que a raíz de la demanda de la sociedad y las nuevas tecnologías, han hecho que el aumento del consumo de energía aumente en los últimos años, a raíz de esto el sistema ya no está para poder satisfacer las demandas en la cual se han buscado nuevas alternativas de energías renovables, como la de energía eólica, solar, etc y este trabajo esta con el propósito de entregan aun mayor información a la población de la energía de las mareas, ya que esta energía aun esta en sus comienzos, aunque en el mundo como han Francia, Dinamarca , han desarrollado energía mareomotriz para generar Electricidad.
Es una energía barata, ya que no depende época de año, su costo de instalación es lo alto, ya sea por el traslado de equipos viajes de mantención por lo que no se ha desarrollado mucho en países latinoamericanos,
El sistema eléctrico mareomotriz lo recomendable en su ubicación donde sus velocidades de mareas sean superior a los 2[m/s], ya que a estas velocidades dependiendo del radio de las aspas de las turbinas estas pueden generar alrededor de los 300 [KW] hasta los [GW],ya que los mayores estudios que se han hecho en el mundo de esta tecnología es para grandes potencias en este trabajo solo se necesita una turbina pequeña para el consumo de las boyas, además estas se encuentran en el sur de chile, y es la zona ideal para utilizar el sistema para el proyecto, ubicando estas turbinas en zonas costeras, ya que tienen aun mayor variaciones debido a los tipos de mareas que afectan factores como el viento y la presión atmosféricas, así estas turbinas aprovechar el flujo y el reflujo del mar.
Todos nuestros cálculos y determinaciones de características eléctricas, fueron estimaciones en base a ecuaciones y formulas en este estudio.
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