Turbinas Hidráulicas: Las turbinas son maquinas que extraen energía de una corriente de fluido. El arreglo de paletas, aspas o cubetas unidas al eje de la turbina recibe el nombre de rotor, rueda o rodete. En las turbinas hidráulicas el fluido de trabajo es agua, por lo que el flujo es incompresible. En las turbinas de gas y en turbinas de vapor la densidad del fluido de trabajo puede cambiar significativamente. Las turbinas hidráulicas convierten la energía en potencia de agua almacenada en trabajo mecánico. Para maximizar la eficiencia de la turbina siempre es una meta el diseño descargar el agua desde la turbina a presión atmosférica, lo más cerca posible a la elevación del canal de descarga, y con la energía cinética residual mínima posible. El transporte del flujo de agua dentro de la turbina, con pérdidas de energía mínima, también es importante. Un gran número de detalles de diseño deben considerarse, tales como la geometría de entrada, rejillas de basura, etc. El número de grandes fabricantes ha disminuido a unos cuantos, pero las unidades de pequeña escala se están volviendo abundantes. El enorme costo de una planta hidroeléctrica de tamaño comercial justifica el empleo exhaustivo de pruebas de modelos a escalas para concretar los detalles de diseño. Principios de turbo maquinas: Las perdidas hidráulicas en largas tuberías de alimentación deben considerarse cuando se diseña la instalación para maquinas de alta carga, tales como las turbinas de impulso; un diámetro optimo para la tubería de entrada que maximiza la potencia de salida de la turbina puede determinarse para estas unidades. La salida de potencia de la turbina es proporcional a la relación de flujo volumétrico multiplicada por la diferencia de presión a través de la tubería. A flujo cero, se dispone de la carga hidrostática total, pero la potencia es cero. A medida que la relación de flujo aumenta, disminuye la carga neta a la entrada de la turbina. La potencia primero aumenta, alcanza un máximo y luego disminuye otra vez cuando se incrementa la relación de flujo. Para un diámetro dado del tubo de carga, la potencia máxima teórica se obtiene cuando un tercio de la carga bruta se disipa por perdidas de fricción en el tubo de carga. En la práctica, el diámetro del tubo de carga se elige mayor que el mínimo teórico, y solo de 10 a 15 por ciento de la carga bruta se disipa por fricción. Se requiere cierto diámetro mínimo del tubo de carga para producir una salida de potencia determinada. El diámetro mínimo depende de la salida de potencia determinada. El diámetro depende de la salida de potencia deseada, la carga disponible y el material y la longitud de tubo de carga.
Tipos de turbinas: Las dos clasificaciones más generales de turbinas son las de impulso o de acción y de reacción.
Turbinas de Acción: En las turbinas de acción, toda la energía en el rodete se intercambia en forma de velocidad. Aunque hay diferentes diseños, en las aplicaciones en centrales hidroeléctricas, las turbinas de acción se emplean son turbinas de tipo Pelton. Las turbinas Pelton tiene un diseño de rodete particular, donde los alabes tiene forma de cucharas o cangilones. Las turbinas de acción carecen de caja espiral y de tubo de aspiración, y se aplican en centrales de alta presión Son accionadas por uno o más chorros libres de alta velocidad. Cada chorro es acelerado en una tobera externa hasta la rueda de la turbina. Si la fricción y la gravedad se desprecian, ni la presión del fluido ni su velocidad relativa a la rueda cambian conforme pasa sobre las cubetas de la turbina. De tal manera, para una turbina de acción, la expansión del fluido de alta a baja presión toma lugar en toberas externas a los alabes y el rodete no gira lleno de fluido. En una turbina de acción, el agua del chorro golpea cada paleta en forma sucesiva, se desvía y se aleja de la paleta con velocidad relativa casi opuesta a la que tenía antes de incidir sobre la paleta. El agua que se utiliza cae dentro del canal de descarga.
Turbinas de Reacción: En las turbinas de reacción, parte de la energía del fluido en el rodete se intercambia en forma de presión. En aplicaciones a centrales hidroeléctricas o mareomotrices, se emplean tres tipos de turbinas de reacción: las turbinas Francis, que pueden ser radiales o mixtas y se aplican en centrales de alta y media presión; las turbinas Kaplan o hélice, que son de tipo axial, y se aplican en centrales de media y baja presión; y las turbinas bulbo, que son también de tipo axial, y se aplican en centrales de baja presión. Parte del cambio de la presión del fluido que ocurre externamente y parte toma lugar dentro de los alabes móviles. La aceleración externa ocurre y el flujo se desvía para entrar a la rueda en la dirección apropiada, cuando pasa por toberas o aspas estacionarias denominadas
alabes guías o laves distribuidores. Se presenta una aceleración adicional del fluido relativa al rotor dentro de los alabes móviles, de modo que tanto la velocidad relativa como la presión de la corriente cambian a través del rodete. Debido a que las turbinas de reacción operan llenas de fluido, por lo general pueden producir más potencia para un tamaño total determinado que las turbinas de acción. Una turbina de reacción del tipo Francis, el agua entrante fluye circunferencialmente a través del carcasa de la turbina, entra a la periferia exterior de los alabes guía estacionarios y fluye hacia la rueda. En la sección transversal, ingresa a la rueda casi radial y se desvía hacia abajo para salir casi axialmente; el patrón de flujo puede considerarse como el de una bomba centrifuga inversa. El agua que abandona el rodete fluye a través de un difusor, conocido como tubo de aspiración, antes de entrar al canal de descarga. Una turbina de propela del tipo Kaplan, la entrada de agua es similar a la de la turbina Francis que acaba de describirse. Sin embargo, el flujo se desvía casi axialmente antes de encontrarse con el rodete de la turbina. El flujo que sale del rodete puede pasar a través de un tubo de aspiración.
Turbinas Pelton: En la década de 1880 el ingeniero de minas, estadounidense, Lester Pelton, patentó una turbina con palas periféricas de muy particular diseño, de tal manera que el chorro proveniente de la tubería golpea el centro de cada pala o cuchara con el fin de aprovechar al máximo el empuje del agua. El álabe tiene la forma de doble cuchara, con una arista diametral sobre la que incide el agua produciéndose una desviación simétrica en dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la máquina en esa dirección. Las turbinas Pelton, conocidas también como turbinas de presión por ser ésta constante en la zona del rotor, de chorro libre, de impulsión, de admisión parcial por atacar el agua sólo una parte de la periferia del rotor. Así mismo entran en el grupo de las denominadas turbinas tangenciales y turbinas de acción.
Elementos de una Turbina Pelton: Las turbinas Pelton, como turbinas de acción o impulso, están constituidas por tubería forzada, el distribuidor y el rodete, ya que carecen tanto de caja espiral como de tubo de aspiración o descarga. Dado que son turbinas diseñadas para operar a altos valores de carga, la tubería forzada suele ser bastante larga, por lo que se debe diseñar con suficiente diámetro como para que no se produzca excesiva perdida de carga del fluido entre el embalse y el distribuidor.
Características del Distribuidor: El distribuidor de una turbina Pelton es una tobera o inyector. La misión del inyector es aumentar la energía cinética del fluido, disminuyendo la sección de paso, para maximizar la energía de fluido aprovechada en la turbina, ya que en el rodete de este tipo de turbinas solo se intercambia energía cinética. De esta manera, no hay problema para que la sección de la tubería forzada sea mayor, haciendo esta transformación a energía cinética inmediatamente antes de la entrada del fluido al rodete.
Esquema del inyector de una Una turbina Pelton puede tener entre 1 y un máximo de 6 inyectores. turbina Pelton Cuando tiene un solo inyector, el eje del rodete es normalmente horizontal. Cuando el número de inyectores es superior, el eje del rodete es normalmente vertical, con el alternador situado por encima. En este caso, la tubería forzada se bifurca tantas veces como número de inyectores, y cada inyector tiene su propia tubería independiente.
El Inyector dispone de una válvula de aguja para regular el caudal y ajustarlo a la demanda de energía eléctrica. La válvula de aguja está diseñada para que el modulo de la velocidad, se mantenga prácticamente constante aunque varié el caudal. Para evitar cambios bruscos de caudal, que podrían ocasionar golpes de ariete en la tubería forzada, cada inyector dispone de un deflector que cubre parcialmente el chorro durante los cambios de caudal y permiten realizarlos más lentamente. Deflect or
Pivote Características del Rodete: de giro El rodete de una turbina Pelton es un rueda con alabes en forma de cuchara o cangilones, con un diseño característico, situados en su perímetro exterior.Detalle Sobredelestas cucharas es sobre las que incide el deflector de un Turbina chorro del inyector, de tal forma que el choque del chorro se produce en Pelton dirección tangencial al rodete, para maximizar la potencia de propulsión.
D
Las cucharas tiene unaEsquema forma característica, talturbina como puede apreciarse del rodete de una en la figura, donde se aprecia la Pelton sección de entrada y la sección de salida, estas presentan una mella en la parte externa, son simétricas en dirección axial, y presentan una cresta central afilada. Las dimensiones de las cucharas, y su número, dependen del diámetro del chorro que incide sobre ellas, cuanto menor sea ese diámetro, más pequeñas serán las cucharas y mayor numero de ellas se situaran en el rodete. La mella, con una anchura ligeramente superior al diámetro del chorro tiene como función evitar el rechazo. El máximo aprovechamiento energético del fluido se obtiene cuando el chorro incide perpendicularmente sobre la cuchara. Pero, al girar el rodete cuando se aparta una cuchara y llega la siguiente, esta tapa a la anterior antes de
estar en condiciones de aprovechar su energía adecuadamente. La mella evita que una cuchara tape a la anterior demasiado pronto.
Ariete Hidráulico: Descripción del ariete Hidráulico: Vista Frontal, sección lateral y sección inferior de una cuchara El ariete hidráulico es la maquina más sencilla para bombear agua, debido a que emplea la misma agua como energía de operación. Para hacer funcionar un ariete es necesario utilizar una caída de agua cualquiera. Su instalación es fácil y su funcionamiento es continuo, lo que les da cierta ventaja sobre las bombas ya que por la noche cuando el consumo es mínimo, permite almacenar agua en un depósito. Las condiciones topográficas para instalar un ariete exige que exista una caída de agua mínima de 0.5 metros; obviamente, para obtener mejores resultados es deseable tener una caída mayor. En caso de no disponer de altura necesaria, el ariete puede enterrarse en un foso, teniendo el cuidado de dar salida al agua necesaria para el funcionamiento del mismo. Debido al mínimo costo y manejo de los arietes, estos son utilizados en áreas rurales donde el acceso a combustible y energía eléctrica es extremadamente difícil. Son usados para proveer de agua en su escala para servicio domiciliar, agrícola, industrial, etc. El ariete hidráulico es un dispositivo sencillo que permite aprovechar la presión dinámica del agua que escurre bajo una pequeña carga, para elevar una porción de esta misma agua a una altura mayor. Consiste como se puede apreciar en la figura de una tubería de abastecimiento, conectada en sus extremo superior al depósito alimentador y su extremo inferior, a una caja de válvulas; esta caja tiene dos válvulas automáticas, una de desperdicio o desfogue, que abre hacia y otra de descarga que abre hacia arriba; sobre la
válvula de descarga esta una cámara de aire o cámara de presión, en el pie de la cual está conectada la tubería de descarga.
Clasificación de los Arietes Hidráulicos: Los arietes hidráulicos, de acuerdo a la cantidad de agua requerida para su operación, se clasifican por números, así: 2, 3, 4, 5, 6,… 10, 15… 120 y su elección debe realizarse de acuerdo a las necesidades, tanto de agua como de la altura a que esta deba elevarse. Dependiendo de la altura de la caída de agua disponible, hay dos tipos de ariete, tipo estándar y tipo pesado; dependiendo si l altura de caída es menor o mayor de 25 metros, respectivamente. Tipos de Arietes Hidráulicos: Atendiendo a su funcionamiento, se dividen en arietes de acción simple y de acción doble. Los de acción simple funcionan cuando el agua es obtenida de un depósito, fuente, pozo artesiano u otro recurso, aguas arriba del ariete, este utiliza la fuerza generada por la columna de agua en el tubo de impulsión para elevar parte del agua por el tubo de descarga. Los de acción doble utilizan una fuente de agua cualquiera para dar impulso al ariete y que este eleve el agua preveniente de otra fuente o depósito de agua potable, de esta forma el agua que impulsa al ariete no es la misma que se eleva; al no mezclarse estas dos aguas se evitaría alguna contaminación o alteración, si ese fuera el caso.
Funcionamiento: Cuando en un punto de una tubería a través de la cual corre agua, se interrumpe, bruscamente, el paso de esta, produce una elevación de la gradiente hidráulica por encima de la presión estática, transformando la energía cinética en energía de presión, siendo este el fenómeno llamado golpe de ariete, el cual constituye el principio de funcionamiento del ariete hidráulico. Para su funcionamiento, el ariete hidráulico aprovecha la energía del agua provocada por una caída al abrir la válvula colocada en la tubería de abastecimiento, convirtiéndola en energía de presión, el agua proveniente del depósito para a través de la válvula de desfogue con una velocidad creciente. A cierto régimen de velocidad, la fuerza desarrollada por la fuerza motriz; o sea la energía cinética, transformándose en energía de presión, vence finalmente el peso de la válvula de desfogue provocando el cierre violento de la misma. Por consiguiente queda frenada súbitamente el agua en movimiento, produciéndose así el llamado golpe de ariete. Este mismo abre la válvula de descarga, en la cámara de presión, con lo que el agua entre rápidamente en ella, causando así un depresión en el tubo de abastecimiento o impulsión. Este efecto de depresión, mas el peso del agua, dentro de la cámara, produce el cierre de la válvula de descarga y simultáneamente la abertura de la válvula de desfogue. El agua corre nuevamente y por su creciente velocidad a través de la válvula de desfogue, vuelve a provocar el cierre violento de esta, repitiéndose continuamente el proceso descrito. El agua penetra en la cámara depresión, comprimiendo el aire dentro de ella, siendo así distribuida al lugar de consumo, por medio de la tubería de descarga. Partes del ariete hidráulico:
Caja de de válvulas: Está constituida por la válvula de desfogue, la válvula de descarga y la válvula de aire. - Válvula de desfogue, esta es la válvula que produce el golpe de ariete al cerrar súbitamente, impulsada por el agua que esta descargándose a la atmosfera. Se abre hacia abajo accionada por la tensión que le provoca el resorte y la presión atmosférica cuando la onda de presión la alcanza. -
Válvula de descarga, Su función es comunicar la caja de válvulas con la cámara de presión. Se abre hacia arriba, debido a la sobrepresión ocasionada por el golpe de ariete, que produce la válvula de desfogue al cerrarse súbitamente, venciendo el peso propio y el de la columna de agua, que la mantiene normalmente cerrada, dejando pasar una cantidad de liquido que, parte es
impulsada a la tubería de descarga y parte es almacenada en la cámara de presión, ya que el orificio de salida hacia la descarga, es menos que el orificio que presenta la válvula al paso del agua. -
Válvula de aire, La función de esta válvula, es mantener el mismo volumen de aire en la cámara de presión, lo que se consigue cuando en la etapa de depresión, que tienen lugar en la caja de válvulas; la presión atmosférica hace entrar una cantidad de aire, que compensa la parte que se pierde, mezclado con el haga de descarga.
Cámara de presión: En este recinto el agua que ha entrado, comprime la masa de aire que se encuentra allí, atenuando el efecto del golpe de ariete y almacenando a presión, una cantidad de liquido, que permitirá regularidad el gasto de descarga, cuando no esté pasando agua de la caja de válvulas.
Componentes para la construcción de un ariete hidráulico: Los componentes necesarios para la construcción del ariete hidráulico se detallan a continuación: -
Una lamina negra de 3/16 pulgadas de grueso por 25 cm de largo y 7 cm de ancho; un trozo de hierro negro de 1/8 de pulgada de grueso por 70 cm de largo y 3 cm de ancho; dos trozos de hierro negro de ¼ pulgada de grueso por 60 cm de largo y 2.5 cm de ancho; dos T de hierro galvanizado de 2 pulgadas de diámetro; un codo de 90 grados de hierro galvanizado de 2 Pulgadas de diámetro; un codo de 90 grados de hierro galvanizado de ¾ pulgada de diámetro; tres niples de rosca corrida de 2 de pulgada de diámetro; dos niples de rosca corrida de ¾ de pulgada de diámetro; una válvula de globo de ¾ de pulga de diámetro; una válvula de globo de 1 pulgada de diámetro una reducción bushing de 2 pulgadas a 1; una reducción bushing de 2 pulgadas a 3/4; un tapón hembra de 2 pulgadas; un trozo de tubo galvanizado de 2 pulgadas de diámetro por 50 cm de longitud con rosca en los dos extremos; un trozo de tubo galvanizado de 1 pulgada de diámetro por 50 cm de longitud, con rosca en los dos extremos; un trozo de tubo galvanizado de 3/4 pulgada de diámetro por 40 cm de longitud, con rosca en los dos extremos; un pedazo de cámara de llanta de 10 cm por lado; un pedazo de hule de zapato viejo de 10 cm por lado; un tubo de pegamento permatex;
-
un tornillo de rosca corrida de 5/16 de pulgada de diámetro por 15 cm de largo; dos tornillos de 3/16 de pulgada de diámetro por 8 cm de largo; dos tornillos de ¼ de pulgada de diámetro por 2.5 cm de largo; un tronillo de 3/16 de pulgada de diámetro por 6.5 cm de largo; doce tuercas para tornillos de 5/16 de pulgada; diez roldanas de 5/16 de pulgada de diámetro; siete tuercas para tornillo de 3/16 de pulgada; tres roldanas de 3/16 de pulgada de diámetro; dos tuercas para tornillo de ¼ de pulgada de diámetro.
Habiendo construido los componentes del ariete hidráulico se procede a unirlos para formar el modelo con el que se efectuaran las pruebas de funcionamiento y eficiencia. Luego de haberla construido de procede al ponerla en funcionamiento, al abrir la válvula de globo de la tubería de entraba, el agua proveniente de la tubería de descarga pasa a través de la válvula de desfogue con una velocidad creciente, vence finalmente el peso del embolo de la misma, este mecanismo frena, súbitamente, el movimiento del agua produciéndose, así el golpe de ariete. Este golpe abre la válvula de liberación deformando el empaque de la cámara de llanta colocado debajo de la cámara de aire con lo que el agua entra rápidamente en esta, provocando una depresión, en el tubo de entrada. Este efecto de depresión, mas el peso del agua dentro de la cámara de aire, produce el cierre de la válvula de liberación y simultáneamente, el de la válvula de impulso o desfogue. El agua corre nuevamente y por su creciente velocidad a través de la válvula de desfogue, vuelve a provocar el movimiento violento de esta, repitiéndose, continuamente, el proceso descrito, permitiendo, así, el funcionamiento automático.
Energía Hidráulica: La presa, situada en el curso de un río, acumula artificialmente un volumen de agua para formar un embalse. Eso permite que el agua adquiera una energía potencial que después se transformará en electricidad. Una central hidroeléctrica es una instalación que permite aprovechar las masas de agua en movimiento que circulan por los ríos para transformarlas en energía eléctrica, utilizando turbinas acopladas a los alternadores. Según la potencia instalada, las centrales hidroeléctricas pueden ser:
Centrales hidráulicas de gran potencia: más de 10MW de potencia eléctrica.
Mini centrales hidráulicas: entre 1MW y 10MW.
Micro centrales hidroeléctricas: menos de 1MW de potencia.
En general, estas centrales aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como salto geodésico. El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica. Componentes principales de una central hidroeléctrica:
La presa, se encarga de contener el agua de un río y almacenarla en un embalse.
Rebosaderos, elementos que permiten liberar parte del agua que es retenida sin que pase por la sala de máquinas.
Destructores de energía, se utilizan para evitar que la energía que posee el agua que cae desde los salientes de una presa de gran altura produzcan, al chocar contra el suelo, grandes erosiones en el terreno. Básicamente encontramos dos tipos de destructores de energía:
Sala de máquinas, construcción donde se sitúan las máquinas y elementos de regulación y control de la central.
Turbina, elementos que transforman en energía mecánica la energía cinética de una corriente de agua.
Alternador, tipo de eléctrico destinado a transformar la energía mecánica en eléctrica.
Conducciones, la alimentación del agua a las turbinas se hace a través de un sistema complejo de canalizaciones.
Canales, se pueden realizar excavando el terreno o de forma artificial mediante estructuras de hormigón. Su construcción está siempre condicionada a las condiciones geográficas.
La parte final del recorrido del agua desde la cámara de carga hasta las turbinas se realiza a través de una tubería forzada. Para la construcción de estas tuberías se utiliza acero para saltos de agua de hasta 2000 m y hormigón para saltos de agua de 500 m.
Válvulas, dispositivos que permiten controlar y regular la circulación del agua por las tuberías.
Chimeneas de alivio, son unos pozos de presión de las turbinas que se utilizan para evitar el llamado golpe de ariete, que se produce cuando hay un cambio repentino de presión debido a la apertura o cierre rápido de las válvulas en una instalación hidráulica.
Tipos de hidroeléctricas: Según las características del terreno donde se sitúa.
Centrales de agua fluyente. En este caso no existe embalse, el terreno no tiene mucho desnivel y es necesario que el caudal del río sea lo suficientemente constante como para asegurar una potencia determinada durante todo el año. Durante la temporada de precipitaciones abundantes, desarrollan su máxima potencia y dejan pasar agua excedente. En cambio, durante la época seca, la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en verano.
Centrales por derivación de las aguas: Las aguas del río son desviadas mediante una pequeña presa y son conducidas mediante un canal con una pérdida de desnivel tan pequeña como sea posible, hasta un pequeño depósito llamado cámara de carga o de presión. De esta sala arranca una tubería forzada que va a parar a la sala de turbinas. Posteriormente, el agua es devuelta río abajo, mediante un canal de descarga. Se consiguen desniveles más grandes que en las centrales a pie de presa.
Centrales de bombeo o reversibles. Son un tipo especial de centrales que hacen posible un uso más racional de los recursos hidráulicos. Cuando la demanda diaria de energía eléctrica es máxima,
estas centrales trabajan como una central hidroeléctrica convencional: el agua cae desde el embalse superior haciendo girar las turbinas y después queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día de menor demanda, el agua es bombeada al embalse superior para que vuelva a hacer el ciclo productivo.
Ventajas e desventajas de las centrales hidroeléctricas:
Las ventajas de las centrales hidroeléctricas son:
No necesitan combustibles y son limpias.
Tienen costes de explotación y mantenimientos bajos.
Las turbinas hidráulicas son de fácil control y tienen unos costes de mantenimiento reducido.
Las desventajas de las centrales hidroeléctricas son:
El tiempo de construcción es, en general, más largo que el de otros tipos de centrales eléctricas.
La generación de energía eléctrica está influenciada por las condiciones meteorológicas y puede variar de estación a estación.
Los costes de inversión por kilovatio instalado son elevados.
En general, están situadas en lugares lejanos del punto de consumo y, por lo tanto, los costes de inversión en infraestructuras de transporte pueden ser elevados.
Impacto ambiental de las centrales hidroeléctricas
Modifica el ciclo de vida de la fauna.
Dificulta la navegación fluvial y el transporte de materiales aguas abajo (nutrientes y sedimentos, como limos y arcillas).
Disminuye el caudal de los ríos, modificando el nivel de las capas freáticas, la composición del agua embalsada y el microclima.
Energía eólica: La energía eólica es la energía que se puede lograr del movimiento que produce el viento al interaccionar con las palas de un aerogenerador. Esta energía, que sigue en proceso de desarrollo, nace como respuesta a una mayor demanda del consumo energético, la necesidad de garantizar la continuidad del suministro en zonas importadoras netas de recursos energéticos y de la búsqueda de la sostenibilidad en el uso de los recursos. En general las mejores zonas de vientos se encuentran en la costa, debido a las corrientes térmicas entre el mar y la tierra; las grandes llanuras continentales, por razones parecidas; y las zonas montañosas, donde se producen efectos de aceleración local.
Centrales Eólicas: Es la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. En la actualidad, la energía eólica se aprovecha fundamentalmente mediante su transformación en electricidad a través de los aerogeneradores. Un aerogenerador eléctrico es, por tanto, una máquina que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica. Para ello, utiliza unas palas, que conforman una hélice, y que transmiten la energía del viento al rotor de un generador. Generalmente se agrupan en un mismo emplazamiento varios aerogeneradores, dando lugar a los llamados parques eólicos. Sobre una torre soporte se coloca una góndola que aloja en su interior un generador, el cual está conectado, mediante una multiplicadora, a un conjunto
de palas. La energía eléctrica producida por el giro del generador es transportada mediante cables conductores a un centro de control desde donde, una vez elevada su tensión por los transformadores es enviada a la red general mediante las líneas de transporte de alta tensión. Dado el carácter aleatorio de la producción de energía eléctrica por vía eólica, las centrales de este tipo deben disponer de una fuente auxiliar para tener garantizado en todo momento el suministro de energía eléctrica. Debido a la altura en la que se encuentra el generador y al rozamiento que el aire produce sobre éste, es conveniente que el equipo tenga una toma a tierra para evitar la electricidad estática. Asimismo, para el control de la velocidad del generador existen tecnologías que permiten regular, dentro de unos límites, las revoluciones de las palas, independientemente de la velocidad del viento.
Energía por medio de un sistema Fotovoltaico: La luz solar es un conjunto de radiaciones electromagnéticas similares a las ondas de radio pero de mayor frecuencia en longitudes de onda de 0.2 a 3 micras. El sol emite radiación como lo haría un cuerpo calentado a 6000°. Es importante aclarar que el sol no emite calor como tal, sino radiación, el efecto de esta radiación es el calentamiento de los cuerpos donde la misma incide. La radiación solar interceptada por la tierra en su desplazamiento a su alrededor, constituye la principal fuente de energía renovable. El planeta tierra recibe del sol la asombrosa cantidad de energía anual de 5.4E24 Joule cifra que representa 4.5 veces el consumo mundial. Aunque es muy abundante el aprovechamiento de la radiación solar está condicionada por tres aspectos, la intensidad de la radiación solar recibida por la tierra, los ciclos diarios y anuales a los que está sometida y las condiciones climatológicas de cada emplazamiento. La radiación solar es una forma de energía de baja concentración oscila entre 1300 y 1400 W/m 2, las perdidas en la atmósfera por absorción, reflexión y dispersión la reducen en un 30%. Si las condiciones climatológicas son buenas se puede llegar a tener 1000 W/m 2 , aunque si las
condiciones son muy malas podrían ser hasta 50 W/m 2. Por tal motivo en algunas circunstancias es necesario utilizar superficies de captación grandes. El funcionamiento de una celda solar consiste en que la luz solar caliente la superficie de la celda, esto ocasiona desplazamiento de electrones y generan un flujo de corriente eléctrica. El total de electricidad producida por el dispositivo dependerá de la cantidad de luz que incida sobre la celda y de su eficiencia. Las celdas solares se instalan junto con otras para construir módulos, los cuales a su vez juntos forman paneles, con el fin de producir cantidades significativas de energía eléctrica. La Figura, muestra las celdas, módulos y paneles solares. La energía generada por los paneles solares es siempre en corriente continua (DC), habitualmente en las casas habitación se utiliza corriente alterna (AC), por lo que se tendrá que recurrir al uso de un inversor electrónico, el cual convierte de DC a AC.
Cedula, Modo y panel Un sistema solar fotovoltaico (SSF) para aplicaciones residenciales está compuesto de un modulo solar, un centro de control de carga, una batería un inversor que convierte la corriente directa en alterna y la carga o aparatos que van a utilizar la energía. El esquema se muestra en la siguiente figura.
Sistema Solar fotovoltaico típico El primer paso para dimensionar tanto el panel solar como el inversor es conocer las características de la carga que va a ser alimentada, en nuestro caso es 4 luminarias, y dos líneas de potencia una para una licuadora y un televisor, cada uno de ellos posee un potencia diferente, el cálculo se trabajara de tal forma que todos los electrodomésticos y las luminarias trabajan aproximadamente 18 horas diarias tomando en cuenta la noche. Dispositivo Licuadora Televisor 4 Luminarias
Potencia 600 W 120 W 640 W
Tiempo 12 horas 18 horas 18 horas
Energía Consumida 7.2 KW-h 2.16 KW-h 11.52 KW-h
Dimensionamiento del sistema fotovoltaico. Como el sistema que se propone para este proyecto tiene baterías que permitan almacenar la energía, el sistema fotovoltaico funcionara todo día. Para el dimensionamiento del sistema fotovoltaico se parte del valor de potencia total, que es de 1360 watts. De la gran variedad de modelos de paneles solares disponibles en el mercado, se tendrá que elegir uno o una combinación de varios, que cumplan con las características de potencia y costo reducido.
Equipos termosifónicos:
Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol para calentar alguna sustancia. Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol para calentar alguna sustancia, en este caso agua. Su uso más común es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios tanto en ambientes domésticos como hoteles. Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida útil de hasta 20 años sin mayor mantenimiento. En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energético utilizado para calentar agua. Tal disminución puede llegar a ser de hasta 80% en consumo de gas. Se recomienda limpiar el colector cada 4 o 6 meses para aumentar su eficiencia y vida útil. La eficiencia para captar la energía solar es muy elevada en los calentadores solares. Componentes de un equipo termosifónico: • Colector: También llamado captador solar o panel termo solar. Es el componente que se encarga de transferir la energía solar al agua. Consiste en un arreglo de tuberías o conductos por donde fluye el agua. El colector utiliza tubos de vidrio al vacío. Dentro de los tubos se encuentran los conductos del colector. El vacío previene los fenómenos de conducción y convección, aumentando la eficiencia. • Contenedor Tanque de almacenamiento: Es el recipiente de almacenamiento del fluido. Durante el día, el agua se recircula una y otra vez entre el colector y el contenedor. Después de un tiempo y dependiendo de las dimensiones de los componentes, el agua se calentará para su uso posterior. La energía capturada en el colector se guarda en el tanque en forma de agua caliente. En el momento de requerir agua, se extrae del tanque y se rellena con agua fría. El tanque está aislado térmicamente para evitar pérdidas y mantener caliente el agua por más tiempo. Rendimiento: Tiene 30% mejor rendimiento que el calentador solar plano, fácil y rápido de montar ya que su estructura de acero inoxidable muy liviana, viene con las perforaciones y pernos adecuados. Funcionamiento: El funcionamiento de un calentador solar de agua es muy sencillo: El colector solar se instala normalmente en el techo de la casa y orientado de tal manera que quede expuesto a la radiación del sol todo el día para lograr la mayor captación de la radiación solar. Pero, ¿Cómo circula el agua por todo el sistema? Esto se logra mediante el efecto denominado termosifónico, que provoca la diferencia de temperaturas, el agua caliente es más ligera que la fría y, por lo tanto, tiende a subir. Esto es lo que sucede entre el colector solar y el termo-tanque, con lo cual se establece una circulación natural, sin necesidad de ningún equipo de bombeo.
Equipos compactos termosifónicos CHROMAGEN: Los sistemas de circulación por termosifón de CHROMAGEN son los sistemas más sencillos y eficientes, además de requerir poco mantenimiento. Debido a su eficiencia proporcionan agua caliente después de sólo unas pocas horas de sol. Ésta es la mejor respuesta para atender las necesidades de agua caliente de una familia preservando el medioambiente. Basado en la circulación natural del agua, el sistema termosifón se compone de:
Captador Solar
Acumulador de Agua
Kit de Conexión
Estructura de Acero Galvanizado o zincado con terminación de epoxy Poliéster Horneado.
Los sistemas termosifón de CHROMAGEN están disponibles en las siguientes versiones:
Sistemas de perfil bajo: En este tipo de sistemas el acumulador se coloca bajo el captador o captadores solares lo que reduce notablemente el impacto visual del equipo, sobre todo cuando es instalado en cubierta plana. Sistemas de Perfil Alto Chromagen ha desarrollado un sistema indirecto termosifónico donde el acumulador se ubica en la zona más alta de la instalación. Disponible para instalar sobre cubiertas planas o inclinadas.
Ecuación de Cooper: Todas las variables climáticas dependen, directa o indirectamente, de la radiación solar y es un parámetro fundamental para calcular los balances de agua y de los índices bioclimáticos. La duración de la insolación es el período durante el cual el Sol se mantiene por encima del horizonte, es expresado en horas. La duración del día es variable en el espacio y en el tiempo y depende de la declinación solar y de la latitud del lugar. La declinación solar es el ángulo formado por los rayos que proceden del Sol y el plano ecuatorial. En el movimiento de traslación alrededor del Sol, el plano del Ecuador mantiene una inclinación fija de 23º27' respecto al plano de la elíptica, por lo que la declinación oscila a lo largo del año entre +23º27', en el solsticio de junio y -23º27' en el solsticio de enero. Para cada día del año tiene un valor único y en los equinoccios su valor es 0. En el Anuario del Observatorio Astronómico están publicados los datos referidos a la declinación solar de cada día, pero puede calcularse, con la ecuación de Cooper:
d=23.45∗sen[360
n ] ( 284+ 365 )
Dónde: n: día del año. d: declinación en grados.
Con esto se puede saber la declinación en grados que deberá tener un panel solar en cierto día del año para aprovechar al máximo su tecnología.
