EL DISEÑO DE MOLINOS EOLICOS Y COLECTORES SOLARES DE MEDIANA

POTENCIA

DECANATO DE TECNOLOGIA E INGENIERIA DE UNAPEC 2008

Autor: ing. William Ernesto Camilo Reynoso, Msc.Autor: ing. William Ernesto Camilo Reynoso, Msc.

Desde “UNAPEC” se pretende contribuir al desarrollo integral de la personalidad del estudiante, activando la apropiación de conocimientos, destrezas, capacidades y habilidades, en armonía con la formación de cualidades, valores e ideales; de forma que desde el currículo se trabaje tanto la esfera inductora motivacional afectivo, como la ejectutora, concomitante con las prestaciones del desempeño profesional.

Introducción:

El Autor recalca el que nuestra investigación parte del hecho social de la carencia de energía eléctrica que soporta la población nacional como sociedad o ente organizado de ciudadanos; pues nuestro país tiene un déficit promedio de potencia eléctrica de unos 300 MW diarios.

La República Dominicana es un país importador neto de petróleo con una factura anual de unos US $6,300,000,000. Más de 300,000 hogares no tienen acceso a las redes de energía eléctrica.

La República Dominicana posee un gran potencial de vientos de hasta 10,000 MW como puede observarse en el Atlas Eólico de la República Dominicana, elaborado por el laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados Unidos de Norte América ( NREL ). Además se cuenta con una posición geográfica privilegiada en cuanto a recepción solar, con significativas extensiones costeras para implementar sistemas de energías alternativas en el mar, con alta proporción de regiones montañosas con múltiples cauces fluviales y pendientes pronunciadas.

Para nuestras consideraciones de diseño: Debemos investigar las características de velocidad y

periocidad del viento, así como la radiación del sol en la zona o área donde se pretenda instalar el aerogenerador y/o el colector solar; para saber si se cumple con los requisitos de potencial de viento y radiación solar. Debemos también establecer los requerimientos de potencia a demandar a la máquina y la naturaleza de la corriente que obtendremos; en orden a establecer las dimensiones y alturas de emplazamiento de las unidades eólicas y solares a instalarse.

LA TIERRA RECEPTORA DE ENERGIA DESDE EL SOL

Detalles de un gran aerogenerador y su góndola superior

EJEMPLOS DE FUENTES DE ENERGIAS ALTERNATIVAS

ENERGIAS ALTERNATIVAS

ENERGIA EOLICA ENERGIA SOLAR

PRODUCCION DE ENERGIA EOLICA MUNDIAL

MEGAVATIOS/AÑO

USO DOMESTICO DE LA ENERGIA EOLICA Y LA SOLAR

DESARROLLO DE PROTOTIPOS EOLICOS Y SOLARES EN UNAPEC

ANTECEDENTES HISTORICOS Y FUENTES EOLICAS Y SOLARES

La energía es una propiedad de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éste puede transformarse,

modificando su estado o posición, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación.

La energía puede tener distintos orígenes y, dependiendo de ellos se le denomina de una forma u

otra:Energía cinética: Asociada al movimiento de

los cuerpos Energía potencial: Asociada a la posición

dentro de un campo de fuerzas. Energía interna: Asociada a la temperatura de

los cuerpos. Energía luminosa: Asociada a la radiación

solar. Energía nuclear: Asociada a los procesos de fusión (unión de núcleos) o fisión (ruptura de núcleos) que tienen lugar en el interior de los

átomos.

Fuentes de energía Llamamos fuente de energía a un sistema natural cuyo contenido

energético es susceptible de ser transformado en energía útil.

Renovables. Son aquellas fuentes que no desaparecen al transformar su energía

en energía útil. No renovables. Es el sistema material que

se agota al transformar su energía en energía útil.

RENOVABLESAgua almacenada en los pantanos (energía

hidraúlica) El Sol (energía solar)

El viento (energía eólica) La biomasa

Las mareas (energía mareomotriz) Las olas

NO RENOVABLESCombustibles fósiles:

Carbón, Petróleo, Gas Natural. Geotérmica

La forma de energía que posee el Sol es energía nuclear interna que se transforma en la energía que emite mediante procesos de fusión. El Sol emite sin cesar lo que se llama energía radiante o, simplemente, radiación. Se transforma en lo que habitualmente se denomina energía térmica y en energía eléctrica. Se puede realizar directamente (fotovoltaica) o indirectamente.

Energía Solar VENTAJAS

Limpia Sencillez de los principios aplicados Conversión directa Empieza a ser competitiva

INCONVENIENTES Grandes variaciones en el tiempo de irradiación Es aprovechable sólo en algunas partes del planeta Necesidad de grandes superficies de captación para su aprovechamiento a

gran escala Tecnología en desarrollo

Dificultad de almacenamiento . En un día brillante, asoleado que el sol brilla, produce

aproximadamente 1,000 vatios de energía por metro cuadrado de la superficie del planeta.

De dónde viene la energía eólica? Todas las fuentes de energía renovables (excepto la maremotriz y la geotérmica), e

incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último término, del sol. El sol irradia 174.423.000.000.000 kWh (174 millones, 423 mil megavatios hora) de energía por hora hacia la Tierra. En otras palabras, la Tierra recibe 1,74 x 10 ^17 W de potencia.

Alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del sol es convertida en energía eólica. Esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra.

Las diferencias de temperatura conllevan la circulación de aire El aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una

altura aproximada de 10 km y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Si el globo no rotase, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur, para posteriormente descender y volver al ecuador.

1) La potencia emitida por el Sol sobre la superficie de la esfera que tiene al Sol como su centro y el radio promedio de la trayectoria terrestre es de 1.37 kW/m 2 . La potencia incide sobre un disco circular con un área de 1.27 x 10 ^14 m 2 . La potencia emitida a la Tierra es, por tanto, de 1.74 x 10^ 17 W.

2) En promedio, la producción primaria neta de las plantas está alrededor de 4.95 x 10^ 6 calorías por metro cuadrado y por año. Esto la producción primaria neta global , es decir, la cantidad de energía disponible en todos los posteriores eslabones de la cadena alimenticia/energética. El área de la superficie de la Tierra es de 5.09 x 10 ^14 m 2 . Así pues, la cantidad de potencia neta almacenada por las plantas es de 1.91 x 10 ^13 W, lo cual equivale al 0.011% de la potencia emitida a la Tierra. Puede encontrar el factor de conversión entre las unidades energéticas calorías y Julios .

POTENCIAL DE ENERGIA EOLICA EN EL PAIS 120 W/M2

I) PASOS PARA EL DISEÑO DE UN MOLINO ….. EOLICO DE MEDIANA POTENCIA

ENERGIA ESTIMADA PARA EL LUGAR

DE EMPLAZAMIENTO

Curvas para el diseño del Rotor

Aerodinámica

Arrastre y Sustentación

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

El rotor está conformado por delgadas placas metálicas, de perfil no aerodinámico, prácticamente planas, con una cierta orientación de unos 40 grados; el viento ejerce sobre ellas una fuerza de arrastre que provoca el par de giro. del viento del orden

de 5 m/seg y se puede expresar, en primera aproximación, mediante la fórmula: P = 0,15 D2v3 en la que: P es la potencia en W D es el diámetro exterior del rotor en m. v es la velocidad del viento en (m/seg) Su rendimiento máximo es del orden del 30% (aproximadamente el 50% del límite de Betz) con un TSR del orden de la unidad, (la periferia de la pala gira a una velocidad u igual a la velocidad del viento v

CALCULOS PARA EL DISEÑO • Geometría * D= 6 metros * N= 4- 6 Palas de 10 pies de radio, perfil trapezoidal de 24 x 12 pugs. ( 61 x 30.5 cm) W1= 21 libras cada pala W2= 24 libras la veleta W3= 21 libras el aro de soporte de las palas • cpp = 60Cm (cuerda en la punta de la pala) • cra = 120Cm (cuerda en la raiz de la pala) • µ = 40° (alabeo) • Paso en la punta de la pala = 7° • Resultados nominales • Cupla = 35.9 N.m • Pcaptada = 2,824.8 W • Fuerza axial = 557.8 N • Velocidad de corte inferior (cupla del rotor > cupla de arranque del generador con carga) = 4 m/s • Cp = 41% • Resultados para velocidad de supervivencia • Vsuper = 28 m/s • Fuerza axial = 2,547.27 N Partes mecánicas: Todas la piezas del aerogenerador fueron diseñadas y construidas por el equipo de trabajo. A continuación se muestra un plano de despiece del mecanismo completo.

DISEÑO DE LAS ASPAS DEL ROTOR

Construcción de la torre, multiplicador y partes del Rotor

De nuestro proyecto

DESGLOCE DE LA ESTRUCTURA DE NUESTRO AEROGENERADOR DE 4- 6 PALAS DE 6 METROS DE DIAMETRO, EN ALUZINCPARA 1.2 A 3.3 KVA, 5 A 7M/SEGS, 120W/M2, 12 A 16 RPM EN EL ROTOR.

Fílmicas con actividades del centro de experimentación de Energías Alternativas de “ UNAPEC”

II ) DISEÑO DE COLECTORES SOLARES En un día brillante, asoleado que el sol brilla, produce aproximadamente 1,000 vatios de energía por metro

cuadrado de la superficie del planeta. El Generador Solar Térmico esta basado en el uso alternativo de energía solar. Es relativamente pequeño por razones de transporte y tiene aproximadamente 2 metros cuadrados. Cada dispositivo genera (1000 Watts) 1 Kw que se puede destinar a la cocción de alimentos. Esta pensado para sectores de escasos recursos económicos y sin acceso a combustibles

Los dispositivos de concentración solar Los dispositivos de baja concentración son algo diferentes: esta vez, se trata de un

conjunto de colectores cilindro parabólicos que también se mueven con el sol concentrando la radiación en una tubería ubicada a lo largo del foco, la cual concentra el fluido de trabajo que transporta el calor adquirido. Este fluido que se mueve en el tubo es calentado y transportado a una red de tuberías diseñadas para minimizar las perdidas por calor. Los sistemas parabólicos típicamente tienen una línea focal horizontal simple y por lo tanto rastrean el sol a lo largo de un solo eje, ya sea norte-sur o este-oeste.

En ambos casos (alta o baja concentración) la energía calorífica solar se transforma generalmente en energía eléctrica, aunque existe la posibilidad de almacenar calor. Uno de los grandes inconvenientes de la energía solar es su discontinuidad en el tiempo, pero en el caso de los sistemas de concentración se le añade además una segunda restricción, ya que estos sistemas solo aprovechan la radiación solar directa, por lo que necesitan que no haya nubes. Para solventar estos problemas se disponen de sistemas de almacenamiento térmico.

Atendiendo al medio en el cual se almacena la energía térmica, podemos distinguir dos tipos de sistemas:

Sistemas de almacenamiento en medio único: son aquellos en los que el medio utilizado para almacenar la energía térmica es el mismo fluido que circula por los colectores solares. Los más comunes utilizan aceite sintético como fluido de trabajo y como medio de almacenamiento. La eficiencia de estos sistemas es superior al 90%.

Sistemas de almacenamiento en medio dual: son aquellos en los que el almacenamiento de calor se efectúa en un medio diferente al fluido de trabajo que se calienta en los colectores solares. Los medios de almacenamiento más comunes son las placas de hierro, materiales cerámicos o el hormigón. La eficiencia de estos sistemas ronda el 70%.

Diseños de diferentes colectores solares

CALCULOS PARA COLECTORES SOLARES PARA CALENTAR AGUA

Diversificación de los colectores solares

Planta de energía eléctrica a partir de colectores solares.

Parábolas y torre de energía a través de colectores del sol

Casa solar

Climatización a través de energía solar

Producción de agua caliente por radiación solar

Multiusos para la energía solar

Hornos solares  

Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.

Receptores centrales  La generación centralizada de electricidad a partir de energía solar está en desarrollo.

En el concepto de receptor central, o de torre de potencia, una matriz de reflectores montados sobre heliostatos controlados por computadora reflejan y concentran los rayos del Sol sobre una caldera de agua situada sobre la torre. El vapor generado puede usarse en los ciclos convencionales de las plantas de energía y generar electricidad.

Enfriamiento solar  Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de

enfriamiento por absorción (véase Refrigeración). Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor. Puesto que, en general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.   

célula fotovoltaica En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de

materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas.  

Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor en estado cristalino, convierten la radiación en electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas células en módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho. El uso actual de las células solares se limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves espaciales.

SEVERAL AEOLIANS PROTOTYPES DEVELOPED FOR UNAPEC STUDENTS

DEVELOPMENT AND EXPERIMENTAL AEOLIAN CENTER OF UNAPEC

DISEÑO DE UN BIODIGESTOR

BIOTECNOLOGIA

Diseño un biodigestor doméstico,consistente en una instalación de tubos y de dos

tanques metálicos de 55 galones c/u; para producir gas natural a partir de la descomposición del estiércol de animales domésticos, desechos de comida, pan, tallos de plátanos u otros elementos de origen orgánico.

Como las plantas usan el sol para crecer. La materia orgánica de los árboles se llama biomasa y es almacena a corto plazo a través de la energía solar en forma de carbono en las plantas. La biomasa es parte del ciclo natural del carbono entre la tierra y el aire.

Existen muchas fuentes de energía clasificables bajo el concepto de biomasa.

La biomasa son los desechos orgánicos, como el estiércol de aves, toros, vacas,cabras y cerdos, además de los residuos agrícolas o forestales que no se aprovechan.

De la biomasa se obtienen biocombustibles como el gas metano, conocido como biogás, que se origina mediante la descomposición de materia orgánica.

Gas para cocinar. Después de alimentar el biodigestor se deben esperar 20 días

para que el templado. A partir de ese tiempo, la producción de gas se estabilizará. Si hace frío, tardará más.

Si diariamente se está alimentando con el estiércol que producen los animales, se puede tener gas para cocinar todos los días. Así se evitaría el uso de leña, cuyo humo afecta la salud. El agua de desecho se puede reciclar en la misma instalación. La vida media del biodigestor es de entre siete y 10 años.

Resumen y conclusión

El uso y explotación de los recursos energéticos naturales como la energía del viento y la de los rayos del sol, tan abundantes en nuestro País; 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 alternativas; en orden a abastecer las necesidades nacionales, racionalizar las divisas y mejorar el medioambiente y el ecosistema.

! Gracias!