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Modelo de matriz energética sostenible: eólica,
solar y a biogás para escuelas rurales de tanda
extendida
Author: Dr. William Ernesto Camilo Reynoso, PhD.
Unapec
Taller Regional: Fuentes de energía sostenibles para la electrificación
rural en Centroamérica, el Caribe y México
Hotel Bávaro Beach, Punta Cana, República Dominicana Noviembre 16-18 2016
Recursos de energías renovables
Fig.1 Modelación de Matriz energética sostenible
Abstract
Nuestra propuesta trata sobre desarrollos
tecnológicos para la eficientización de
fuentes energéticas tales como la solar, la
eólica y la de los biocombustibles- (biogás)-
para ser utilizadas como paquete o matriz
sostenible para suplir las necesidades de
comunidades rurales y sus escuelas de tandas
extendidas -(entre otras)- que se encuentren
aisladas de las redes comerciales para ser
manejadas de forma respetuosa con el
medioambiente y la comunidad.
Escuelas de Jornada Extendida
Son escuelas en las que se ha ampliado el horario escolar a
ocho horas de trabajo educativo para garantizar una
enseñanza de calidad, con una organización curricular
flexible y abierta, en procura de mejores resultados de
aprendizaje, mayor equidad, organización eficiente de los
recursos, mayores espacios y tiempo para realizar actividades
culturales, científicas, tecnológicas, artísticas y recreativas.
Se logró incorporar para el año escolar 2013- 2014 unos 482
centros educativos con una matrícula de 165,402 estudiantes.
En la actualidad existen 579 centros funcionado con jornada
extendida, beneficiando a 198,685 estudiantes.
Fuente:
http://www.minerd.gob.do/documentosminerd/Planificacion/Memorias/Memoria
%202013-%20%20Final%20WEB.pdf
Introducción:
Fig.2 Planteles para escuelas de tanda extendida
Problemática a resolver: la deficiencia energética y la alta
emisión de dióxido de carbono al usar generación fósil
Diagrama unifilar de nuestra propuesta
de matriz energética sostenible
The School’s total electrical green power distribution system is: 584 KWHR.
Distribution in matrix power:
15.0 KW x 8 HRS = 120 KWHR.(por biogas)
80 KW x 5 HRS= 400 KWHR.(por paneles fotovoltaicos)
12.8 KW x 5 HRS= 64 KWHR.(por molinos de viento)
Fig.3
Estudio del estado del arte y la técnica para sistemas de energías renovables aislados
Fig.4
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Estudio del estado del arte y la técnica para sistemas de energías renovables aislados
Fig.5
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Estudio del estado del arte y la técnica para sistemas de energías renovables aislados
Fig.6
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Innovaciones desde la academia
Almacenamiento energético por energía potencial de un lastre líquido (agua)
Fig.7
Innovaciones desde la academia
Almacenamiento energético por energía potencial de un lastre sólido (bloque de concreto)
Fig.8
Estudio del estado del arte y la técnica para sistemas de energías renovables aislados
Fig.9
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Estudio del estado del arte y la técnica para sistemas de energías renovables aislados Fig.10
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Estudio del estado del arte y la técnica para sistemas de energías renovables aislados Fig.11
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Estudio del estado del arte y la técnica para sistemas de energías renovables aislados Fig.12
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Potencial
energético
solar
dominicano
Emisiones de
CO2 por
combustibles
fósiles
Problemática a resolver: la deficiencia energética y la alta
emisión de dióxido de carbono al usar generación fósil Fig.13
Planteamientos y caraterizaciónes para nuestro modelo
de matriz energética sostenible para escuelas de tanda
extendida
Fig.14 Dimensiones de Escuela de tanda extendida: 4 edificios de 23 mts x 11.5 mts
= 4 x (264.5 mts2 c/u). = 1,058 mts2. (total de área de techo)
The matrix solar power considerations
Technical considerations :
1) Irradiation Solar area in school ceilings: 4 x 264.5 mts2 = 1,058
Mts2
Taking 93.6 mts2 for small aerogenerators, then we have:
1,058 - 93.6 =964.4 mts2 for solar panels.
2) Power of maximum solar irradiation (1kw/Mts2) = 964.4 KW. (for
16% solar panel efficience =154.3 KW. If we would Considering 1,3
Mts2 by 175 W, 24v panel. Then now we are considering (946.4 Mts2
/1.3 Mts2 by panel = 728 solar paddle with 175 watts each one).
3) The whole real photovoltaic power to settle is: 127,400 W. =
(127.4 KW). This will powered services like: water pumping,
illumination, Central telephone offices, Computer centers and
multimedia, alarm systems, among others.
Potencial
energético
eólico
dominicano
Mitigaciones a
emisiones de
CO2 por
combustibles
renovables
The matrix wind power considerations
Fig.15
The matrix wind power considerations
We choose ; = 400 watts.
for rotor D=1.4mts, and wind speed v= 10 mts/seg.
Then results an amount of small (32) 400 watts, 24v
aerogenerators, because its robustness and facility of
handling in case of storms: Thus it is 32 mills of 0.4 KW
each, for a total Aeolian 12.8 kw. Power to be used in
external illumination services to the corridors and areas.
These needs 8 batteries of 12v, 855 Ah, as Aeolian
backup (2 by c/u of the 4 buildings), and of 4 inverters of
3kva, 24v, for service of lights in the corridors of the 4
school building.
2 30.2* *p D V2 30.2*(1.4) *(10)p
The matrix wind power considerations
Fig.16
Fuente: taller Sistemas híbridos para población rural aislada, Ignacio Cruz, CIEMAT-España.
Sistema integral del Delta Termosolar Parabólico de 11.25 kw.
para la producción y almacenamiento de agua potable.
(Capacidad: 13,000 Galones, a 50 Gls/min.= 12.53 mts3/hr) =50
Metros cúbicos en 4 hrs.
(Escuelas y Comunidades de unas 300 a 3,000 personas de 3 a
30 Galones /persona) y Reservas de 4,000 Galones/día.
Modelo termosolar como componente de la matriz
energética
Prototipo de caldera termosolar de 11.25 KW. Fig.17
Modelo termosolar como componente de la matriz energética
Sistema de captación solar integral que podría servir de base
para el desarrollo de una opción termosolar
Fig.18
Sistema del Delta Termosolar Parabólico de
11.25 kw para el tratamiento del agua
Modelo termosolar como componente de la matriz
energética
Fig.19
Modelo termosolar como componente de la matriz energética
Fig.20 Sistema del Caldera termosolar Parabólica de 112.5 kw para generación eléctrica
por turbinas pelton
El biogás es un combustible producido
mediante la fermentación anaeróbica (en
ausencia del aire) de desechos orgánicos de
origen animal o vegetal, dentro de
determinados límites de temperatura,
humedad y acidez
La composición química del biogás es:
Metano (CH4), 50-70%
Dióxido de carbono (CO2), 30-50%
Acido sulfídrico (H2S), 0.1-1%
Nitrógeno (N2), 0.5-3%
The matrix Biodigesters and the biogas production
The matrix Biodigesters and the biogas production
Fig.23 Proceso de producción del Biogás
The matrix Biodigesters and the biogas production
Fig.24
The matrix Biodigesters and the biogas production
Factores de emisión de CO2 Fig.25
The matrix Biodigesters and the biogas production
Fig.26
Tabla para
el cálculo
del biogás
Horizontal alternative design of a domestic biodigestor for production of biogas (2)
with enzymatic control of the production of the methane by solar control of the
temperature of the process.
Detalles del mejoramiento del prototipo anterior mediante energía Solar
The matrix Biodigesters and the biogas production
Fig.27
The matrix Biodigesters and the biogas production
Number of biodigestors to be fed by the dung of
the 4,250 people (75 kg/person) 10% MSO factor,
who inhabit to the school using the sanitary
services: considered to replace of combustible gas
caffeteries and others.
Biogas production = 95.625 Mts3 of biogas under
pressure are equivalent to: 15.3 gallons of diesel
oil per day for 3,187.5 kg estiércol/día
para 95.625 mts3 de biogas/día.
Biodigestor de 4,176.9 mts3 de volumen total.
Demanda 0
Producción min. 31.157153
Producción max. 95.6251791
0
20
40
60
80
100
120
Demanda Producción min. Producción max.
m3
/día
Demanda y producción de biogas
Fig.28 Demanda y producción del biogás
1mts3 de biogás = 0.7 lts de gasolina = 0.46 kg de propano
= 0.6 lts =0.16 gls de gasoil =2 kg de leña = 1.25 KWHR.=
4,500 a 6, 300 KCAL por mts3.
Así: La energía disponible en la matriz por concepto del
biogás sería:
95.625 mts3 de biogás/día x 1.25 KWHR= 119.53 KWHR
Luego se diponen de 14.94 KW por unas 8 HRS por
concepto de un generador a biogás tributando a la matriz
energética.
The matrix Biodigesters and the biogas production
Determination of the power available, the hours
available and the demand of recommended power, the
load of backup, the inverters, batteries, regulators of
load, etc.
a) From the 728 photovoltaic 175w. paddels, 24v,
4,95 Amperes by each ones, it is about 127.4 KW that
would give us 182 panels for each building, It is
31.85kw for each one of the four buildings of the
considered extended time school.
Now we determined for the school building 4
inverters with 30 KW each ones.
b) The 4 inverters could are: Soletria PV powered PVP
30 KW, 208-480 volts, 3 phases,60 Hertz,
(USD$23,235.00 eah ones), 295-600 VDC, 109
Amperes DC, nominal input operating range.
Matrix power energy considerations
Matrix power energy considerations
c) For these conditions for c/u of the (4) x 30 KVA
inverters they are requiring: (26 batteries of 12v, 855
Ah); what they are 26x12=312 VDC, (within voltage
input operating range), with a capacity of delivery of
backup in 5 hours of: 855/5=171 Amperes.
(within the amperage input range) for the four buildings
they would be: 26x4=104 batteries of 12v, 855Ah. (for
solar using power).
d) The range of operation of the inverters is about 8
hours by direct conduction photovoltaic and about 4
hours else from the batteries backup for nights hours.
Our project can avoid the emission to The Earth
atmosphere of 110 kg of CO2 per day, 3,312 kg of CO2 per
month, and 39,744 kg of CO2 per year, and contribute to the
global nonheating. ( Fuel Oil emission = 276 grams of
CO2/KWHr).
Considering our 400 KWhr per day produced by the solar
system.
Measurements of Power in a normal day average:
The School’s total electrical green power distribution
system is: 107.8 KW, 584 KWHR.
Distribution in matrix power:
15 KW x 8 HRS = 120 KWHR.(por biogas)
80 KW x 5 HRS= 400 KWHR.(por paneles fotovoltaicos)
12.8 KW x 5 HRS= 64 KWHR.(por molinos de viento)
Matrix power energy considerations
Desarrollos tecnológicos para el modelo de
matriz sostenible para las escuelas de tanda
extendida
Aerogeneradores verticales de 10 KVA con medios
tanques de 55 gls Fig.29
Innovaciones desde la academia
Toberas de concentración y aceleración de viento Fig.30
Innovaciones desde la academia
Modelo
conceptual
de molino
de viento
por tobera
Caracterización de un Molino de viento por supertoberas Fig.31
Innovaciones desde la academia
Imágenes de la
virtualización
del prototipo
Innovaciones desde la academia
Prototipos de aergeneradores por supertoberas para 15 KVA Fig.32
Prototipos de aergeneradores por supertoberas para 15 KVA Fig.33
Innovaciones desde la academia
Supertobera
eólica
Caldera
termosolar
Resumen
El uso y explotación de los recursos energéticos en forma integral, y a través de una matriz energética, potencia nuestros recursos naturales como la energía del viento y la de los rayos del sol tan abundantes en nuestro País e impone una seria reflexión hacia la orientación del currículo de la educación técnica hacia el diseño, construcción y montaje de Plantas de producción de energía eléctrica a partir de las energías renovables en orden a abastecer las necesidades nacionales, tal como las necesidades de escuelas de tandas extendidas de origen rural, racionalizando así el uso de divisas y mejorando el medioambiente y el ecosistema.
Resumen
The School’s daily total electrical green power
distribution system is: 584 KWHR.
Distribution in matrix power:
15.0 KW x 8 HRS = 120 KWHR.(por biogas)
80 KW x 5 HRS= 400 KWHR.(por paneles
fotovoltaicos)
12.8 KW x 5 HRS= 64 KWHR.(por molinos de
viento)
CONCLUSIONS
As results of our project we hope improve our
Extend time school electrical supply power
sytems, become in an example for Dominican
Republic taking care about how we must
work to have a better world without
dangerous atmosphere emissions.
! Gracias!