DESARROLLO EXPERIMENTAL DE UN GENERADOR BASCULANTE, PARA INSTALAR SOBRE BOYAS DE AYUDAS A LA NAVEGACION MARI TIMA

Ing. Hugo Chacón 1, Ing. Horacio León 1, Ing. Andrea Caballero 1, Plaza Medrano, Franco 1, Msc. Carlos Labriola 12

1Universidad Nacional de la Patagonia Austral, Unidad Académica Caleta Olivia, Laboratorio de Energías Renovables - LER

Ruta3 S/N Acceso Norte (CP: 9011), Santa Cruz E-mail: hugomiguelchacon@yahoo.com.ar

12Universidad Nacional del Comahue, Facultad de Ingeniería, Centro de Estudios de FER Buenos aires 1400 (8300) Neuquén.

carloslabriola54@yahoo.com.ar

RESUMEN

En el comienzo del canal sobre el veril Norte, del Puerto de Caleta Paula, en la Ciudad de Caleta

Olivia, Provincia de Santa Cruz, a los 1250 m, desde el eje de los espigones, está instalada una

boya que posee una baliza con lente color rojo, cuyo suministro de energía se efectúa mediante

panel fotovoltaico, que entrega una tensión de 2 V. El problema fundamental que tiene este

sistema es el mantenimiento del panel solar, ya que con la salinidad del mar, el mantenimiento en

contactos sulfatads es constante, los proveedores de este tipo de sistema sostienen que las

mismas tienen 21 días de autonomía habiendo hecho el mantenimiento.

El presente trabajo, si bien se pensó el desarrollo para seguridad de la navegación en las

maniobras de ingreso y salida al puerto Caleta Paula, es de aplicación general en donde se

generen olas de 2 o más metros de altura y consiste en un desarrollo en etapas, tanto

analíticamente como así mismo la confección de un prototipo de un generador basculante, el cual

generara energía eléctrica aprovechando el movimiento de boyas de señalización marítima

provocado por el balanceo que le generan las olas del mar o, para la aplicación lacustre, de las

olas de los lagos de nuestro país debidas al viento, en particular en toda la Patagonia Argentina.

La generación propuesta permite obtener unos 5 V e iluminación LED con variación de colores si

es necesario. Se proyecta como primera aplicación, instalar este sistema de Balizamiento en

Caleta Paula que permitirá identificar el ingreso al canal de acceso.

Palabras Claves: generador basculante; energía eléctrica; boyas de señalización.

1. INTRODUCCIÓN

Nuestra costa Atlántica marítima posee una longitud de 5.087 Km y abarca una superficie de

2.800.000 Km2. Además posee una plataforma continental que a medida que avanza hacia el sur

progresivamente se va ensanchando y aumentando su profundidad, hasta alcanzar los 200 metros

de profundidad a las 200 millas de la costa.

Para seguridad de la navegación en las maniobras de ingreso y salida a los puertos se instala un

sistema de Balizamiento que permite identificar el canal de ingreso seguro al puerto.

Figura 1: Sistema de señalización de Ingreso a los Puertos [1]

Como apreciamos en Figura 1, existen diferentes colores de bollas para la señalización de las vías

navegables al ingreso de puertos que se explican en la Tabla N° 1. En 1980, la Asociación

Internacional de Señalización Marítima (AISM/IALA), consideró que las reglas de señalización para

América, Japón, Corea y Filipinas, era el Sistema B, como muestra la Figura 2.

Figura 2: Sistema B-Regla se Señalización [2] y Bolla con su Baliza Tradicional [3]

Tabla 1- Significado de las Boyas de Señalización [4]

TIPO DE SEÑALIZACIÓN INDICA: DESTELLO IMAGEN DE

DESTELLO

Marcas de Estribor Cualquiera menos las 3 y

4

Luz Roja

Marcas de Babor Cualquiera menos las 3 y

4

Luz Verde

Canal Principal a Babor Grupo de centello 2+1 Luz Roja

Canal Principal a Estribor Grupo de centello 2+1 Luz Verde

Punto Cardinal Norte Centellante continuo Luz Blanca

Punto Cardinal Este 3 centelleos rápidos, 1

periodo de oscuridad

Luz Blanca

Punto Cardinal Sur 6 cent. rápidos, 1 cent.

largo, 1 perid. Oscur.

Luz Blanca

Punto Cardinal Oeste 9 centelleos rápidos, 1

periodo de oscuridad

Luz Blanca

Aguas Navegables 1 destello largo cada 10

segundo Luz Blanca

Peligro Aislado Grupo de dos destellos Luz Blanca

De Emergencia o

Naufragio

Luz azul 1 seg, luz

amarilla 1 seg., 0.5 seg

entre ambas

Luz azul –amarilla

alternada

La presencia del viento, generador de las olas, es casi constante en el mar Argentino, y es de

destacar que el movimiento de la masa oceánica hacia la costa es amortiguado por la plataforma

submarina, produciendo un desplazamiento ordenado de las olas marinas en forma paralela a la

costa. Por lo que se puede prever con pequeño margen de error, el movimiento de las olas.

2. EMPRENDIMIENTO EN EL PUERTO DE CALETA PAULA, PCI A DE SANTA CRUZ

2.1. Ubicación del Lugar

Nuestro proyecto se ocupa del sistema de balizamiento del Puerto Artificial de Caleta Paula, el cual

se encuentra ubicado en la provincia de Santa Cruz Norte, en las cercanías del acceso sur de la

ciudad de Caleta Olivia, ciudad que cuenta con una población de 71030 habitantes, (datos del

INDEC 2015). El puerto consta de un recinto inundado con las aguas del mar Atlántico, a la latitud

sur 46° 27’ y longitud oeste 67° 31’ [5], cuya prof undidad mínima a pie de muelle es de 10,50 m y la

máxima de 16,50m y con una amplitud de marea máxima de 6,5m. Se pueden apreciar las

dimensiones en la Figura 3.

Figura 3: Puerto de Caleta Paula [Google Earth] [5]

Es un puerto apto para la operativa de buques mercantes de hasta 140m de eslora y pesqueros

congeladores, fresqueros y costeros, y fue inundado el 17-10-1997 e inaugurado el 24-09-1998, es

de uso público, de propiedad de la provincia de Santa Cruz. Es administrado por la Unidad

Ejecutora Portuaria de Santa Cruz desde 1998, quien administra cuatro puertos más, a saber:

Puerto Deseado, Punta Quilla, Puerto San Julián y Puerto Santa Cruz, siendo los dos primeros

junto al del objeto del proyecto los más importantes.

2.2. Actividad Económica

La construcción del puerto Caleta Paula incluyó la construcción de un astillero, el cual a posteriores

fue concesionado a la empresa Astillero Patagónicos Integrales (API) para su explotación. La

empresa está organizada los trabajos que realiza: a) reparaciones navales, b) Soldaduras y

mecánica pesada.

Actualmente, el astillero tiene una capacidad operativa para buques de hasta 800 toneladas y 60

metros de eslora.

Los principales clientes son los barcos destinados a la pesca, siendo los Flota Pesquera Amarilla y

los Congeladores Tangoneros los que operan con mayor frecuencia. Los primeros, son barcos

chicos con una capacidad de 250 a 300 cajones, operan en forma diaria y su producción es fresco

de merluza. Los Tangoneros son barcos congeladores que, a través del sistema de arrastre con

tangones, pescan langostinos con una producción promedio de 100 toneladas por marea. En el

puerto operan entre 15 a 20 buques, cada marea dura en promedio 15/20 días.

Actualmente en el Puerto Caleta Paula operan en forma normal y habitual un poco más de 60

empresas, de las cuales casi el 70% son PyMEs regionales y locales

2.3. Estudio del Recurso Energético de Olas

La boya de nuestro estudio (donde se instalara el generador basculante) se encuentra en el

ingreso al muelle del Puerto de Caleta Paula, (en los últimos 15 años, se registraron 2306

amarres), es del tipo como se aprecia en la Figura 4, indicando el canal principal a babor [5].

Figura 4: Bolla y balizas de señalización de ingreso del Puerto [Google Earth] [5]

La altura de las olas en la región sur y sudeste de la isla grande de Tierra del Fuego se pueden

encontrar olas que van desde 1,75 a 2 metros. Al sur de Puerto Deseado y en la costa norte de

Tierra del Fuego las olas alcanzan valores que van de los 1,50 a 1,75 metros mientras que en el

resto de la costa patagónica y bonaerense la altura promedio anual es de 1,25 a 1,7 metros. En el

siguiente Figura 5 se aprecia estadísticamente la altura de las olas en la zona del Puerto de Caleta

Paula, después de los espigones señalados en la Figura 4 (mar adentro) [6].

Figura 5: Estadística (Wisuki) de altura de olas en el Puerto de Caleta Paula [6]

Los distintos aprovechamientos de la Energía Oceánica se clasifican de la siguiente forma:

• La energía de las mareas o mareomotriz. • La energía de las olas ó undimotriz • La energía térmica oceánica (OTEC) • La energía de gradiente salino.

En este trabajo nos basamos en la energía undimotriz de una zona específica del litoral patagónico

argentino, ya especificado en párrafos anteriores. Las olas debidas al viento son las que contienen

más energía y son las que se aprovechan para obtener electricidad; la energía de las olas debidas

al viento, procede en última instancia, de la energía solar, y para los datos de alturas de olas nos

basamos en los datos estadísticos de la Figura 5.

3. GENERADOR BASCULANTE

3.1. Funcionamiento

El generador basculante, destinado al aprovechamiento de la energía de las olas del mar

argentino, basa su funcionamiento, (aprovechando el vaivén que produce la ola desde su cresta al

valle, Figura 6), consiste en el desplazamiento de un rotor cilíndrico con tres pares de polos

insertados en un cilindro de grinol, torneado, produciendo el encastre en cada ranura de seis

imanes de neodimio, este rotor se desplaza sobre un eje de fibra de carbono, lo cual disminuye el

rozamiento entre ambos, en su recorrido, pasa a través de un bobinado de cobre, que constituye el

estator del generador (Figura 7), y en él se induce una f.e.m., de donde se obtiene la tensión en

bornes del mismo.

Figura 6: Composición de las olas [7]

Figura 7: Generador Basculante

3.2. Desarrollo matemático

A partir de datos obtenidos de las páginas de internet [9], se obtuvieron datos del oleaje en el Golfo

San Jorge, en las zonas de Caleta Olivia. Se adoptó los siguientes parámetros consignados en

Tabla 2.

Tabla 2- Datos de Olas [9]

DESCRIPCION SIMBOLO VALOR

Longitud de Onda λ 15 metros

Amplitud H/2 1.5 metros

Pendiente δ = H/λ 0.1

Velocidad del viento v 17.8 nudos

Con los datos obtenidos de páginas de internet se determinó que la pendiente de la entre la cresta

de la ola y el valle de la misma tiene un ángulo de ϕ = 6°.

Se consideró que el rotor del generador se desplaza sobre su eje como una pieza en un plano

inclinado, entonces la aceleración que adquiere el mismo lo determinamos con la ecuación (1):

a = g (sen ϕ - µ cos ϕ) = 0.66 m/seg2 (1)

Donde:

g: aceleración de la gravedad

µ: coeficiente de rozamiento del grinol = 0.04

Con los datos anteriores obtenemos el periodo del rotor, a partir de la ecuación (2):

T = √[(2 x h) / (a x sen ϕ)] = 6.59 seg. ≈ 7 seg (valor que se adopta) (2)

El tubo basculante de ensayo original, fue construido sobre un caño de PVC (tipo desagüe) de 40

mm de diámetro, se bobino sobre el mismo con un conductor de 1,5 mm2, de cable conductor

unipolar, de 172 espiras; por el diámetro y longitud del rotor (200 cm), se considera un área de

influencia de 0.00083 m2, y una inducción magnética de 0.16 weber/m2, y aplicando la fórmula (3)

Boucherot para obtener la f.e.m. en bornes:

E = 4,44 x f x N x B x S (3)

Dónde: E: fuerza electromotriz (volt) f: Frecuencia (Hz) N: número de espiras B: inducción magnética (Weber/m2) S: área de influencia (m2)

E = 4.44 x (1/7) x 172 x 0.16 x 0.00083 = 0.014 volt (4)

Debido a la simplicidad del tubo de ensayo, no se pudo analizar en el medio previsto (agua) por lo

que se realizó en forma manual, obteniendo resultados (ecuación 4), satisfactorios, ya que en la

prueba la f.e.m. obtenido varió de 0.012 a 0.016 volt.

Con los resultados obtenidos, se construyó el nuevo prototipo para ser ensayado, en el medio para

el cual fue diseñado (agua), el bobinado se construyó con alambre de cobre de 0.5 mm de

diámetro, de 6 bobinas conectadas en paralelo de 2000 vueltas cada una, con un diámetro igual a

φ = 42 mm. por espira, armadas en 5 capas de 400 espiras cada una, aplicando la formula anterior

para la determinación de la f.e.m., se obtiene un valor de la misma (ecuación 5) equivalente a:

E = 4.44 x (1/7) x 2000 x 0.16 x 0.026 = 5.27 volt (5)

El área de influencia de la inducción de los imanes, se obtuvo primero considerando el perímetro a

partir de la ecuación (6):

P = π . φ = π x 0.042 metros = 0.1319 metros (6)

Cada bobina, se realizó con 264 metros de alambre de cobre, viendo que el peso del cobre por

metro es de 1.75 x 10-3, para el alambre de cobre de 0.5 mm de diámetro, por lo que cada bobina

pesa 0.461 kg, el generador propiamente dicho tiene un peso aproximado de 3.5 kg, considerando

el peso del cobre, el rotor con imanes incluidos y el revestimiento de caños de PVC.

3.3. Imágenes de la construcción del generador y ma teriales utilizados.

Figura 8: Torneado del Rotor Figura 9: Armado del Rotor

Figura 10: Bobinado del Estator Figura 11: Generador Terminado

En la Figura 8, se aprecia el torneado del rotor de grinol en taller; en la Figura 9, vemos la colocación de los imanes triangulares de neodimio; el bobinado del estator lo apreciamos en la Figura 10, realizado con conductor de cobre de 1.5 mm2, y por ultimo observamos el generador basculante experimental terminado en Figura 11.

4.- CONCLUSIONES

Nuestro generador basculante se encuadra dentro de los dispositivos conversores de energía

renovable, en este caso la fuente renovable undimotriz, cuya mayor ventaja es ser un recurso

limpio con muy escaso impacto ambiental, y procede en forma indirecta de una fuente natural

inagotable como es el Sol, el cual con su calentamiento periódico de la atmósfera generando

dilatación (día) y compresión (noche) genera los vientos que son causa de las olas. Un proceso de

conversión energética más confiable a partir de las olas, permite reducir el mantenimiento respecto

de un sistema fotovoltaico, logrando así una mayor autonomía en las señales marítimas y menores

costos durante la vida útil del dispositivo.

Lo relevante de la aplicación propuesta, más allá que se obtiene mayor tensión (5V) con

posibilidades de mejorar la iluminación y alcance de las boyas, consiste en que en el mar argentino

de Santa Cruz se encuentran aproximadamente unas 70 boyas de señalización, de las cuales en

su mayoría se encuentran apagadas o fuera de servicio según Navarea VI [9], actualizado el

25/04/2018. Las mismas están desactivadas por el problema de la señalización en base a paneles

solares. Esta propuesta permite reactivar esas bollas e incluso aumentar el boyado en base a las

variaciones de los bancos de arena por el cambio de corrientes marinas, aumentando la

confiabilidad y seguridad en el acceso y saluda de buques de gran calado a los puertos citados.

Los resultados iniciales, se han obtenido a través de un análisis profundo por cálculo y trabajo

ulterior en taller para la construcción del generador. Esta propuesta permite explorar las

posibilidades enormes de esta fuente energética limpia como es la undimotriz, muy abundante en

nuestro litoral marítimo austral.

Para el desarrollo de nuestro generador basculante nos basamos en un estudio sobre los Rafts o

Conocidos como la Balsa de Cockerell (Figura 12) los cuales son grandes plataformas flotantes,

articuladas entre sí, unidas mediante mecanismos hidráulicos (cilindro-émbolo), las plataformas

ascienden y descienden (debido al movimiento de las olas) impulsando un fluido hasta un motor

que mueve un generador por medio de un sistema hidráulico instalado en cada articulación [8].

.

Figura 12: Balsa de Cockerell [8]

Debido a sus grandes dimensiones, y las fuerzas que actúan sobre los anclajes, y la baja potencia

que se obtiene, este sistema no es aplicable.

Otro generador base de nuestro estudio es la Pelamis (para la elaboración del nuestro) que utiliza

la energía de las olas del mar para generar energía eléctrica, enviarla a la costa y entregarla a la

red [10]. Ver Figura 13

Figura 13: Funcionamiento de la Pelamis [10]

Que consiste es una estructura flotante, semisumergida, compuesta por tramos cilíndricos

articulados entre sí, que permiten la flexión en dos direcciones (vertical y horizontal). El Movimiento

de las olas acciona cilindros hidráulicos, que bombean aceite a alta presión hacia un sistema de

motores hidráulicos a través de acumuladores hidráulicos reguladores. Los motores hidráulicos

accionan generadores eléctricos para generar electricidad.

REFERENCIAS

[1] Dirección General de Puertos. CGP y MM – S.C.T.- Capitulo 7 - Señalización

[2] Reglamento Internacional de Balizamiento Marítimo (AISM/IALA).

[3] Fotográfica tomada de Boya de Señalización en el Puerto de Gualeguaychú.

[4] “Iberdrola Renovables Y Las Energías Marinas” Iberdrola Energías Renovables – España 2010.

[5] Imágenes de Google Earth.

[6] Estadística de página WEB de WISUKI, para Pto de Caleta Olivia.

[7] Datos obtenidos de www.merakcharter.com/la-altura-de-las-olas.

[8] “Energía de las olas” FERNANDEZ DIEZ, Pedro. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, 2005.

[9] Servicio de Hidrología Naval Argentina – La Jolla Sfing – Wave Watch – Wet Sand – Windguru Argentina y Sur Guru

[10] PI 29 B 163, 2014-2017: Proyecto de Investigación: “Estudio de conversores hidrocinéticos para aplicaciones en la Patagonia, Argentina”, Director: MSC. Carlos Labriola, Unidad Académica Caleta Olivia, Universidad nacional de la Patagonia Austral, santa Cruz.