PROYECTO

TRANSFORMACION DE LA ENERGIA ELECTRICAAPLICACIONES Y CONCEPTOS

APRECIADO DOCENTE:JAVIER HUMBERTO BOBADILLA AHUMADA

FISICA ELECTRICA

JOHAN NICOLAS GUTIERREZ CANDELAINGRID LORENA RODRIGUEZ CAMACHO

ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUTRIALESTECNOLOGIA GEST. PROCESOS

FACULTAD DE INGENIERIA2014

OBJETIVO GENERAL

Identifica mediante una manera práctico-teórico el concepto eléctrico y su aplicación en la cotidianidad, asemeja también las leyes y las herramientas que se utilizan para entender el fenómeno físico con los grandes autores que en su época nos llevaron a tal salto de desarrollo.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determina de manera experimental que los resultados de una resistencia es equivalente a las medidas teóricas en la suma de un circuito ya sea en serie o paralelo

Analiza los resultados de la elaboración del proyecto y determina las características esenciales de los elementos conductores y no conductores, la relación entre la electricidad y energía.

Resuelve de manera teórica los circuitos en serie y paralelos aplicando de manera eficiente las leyes matemáticas que rigen el proceso.

Identifica el valor de las resistencias mediante el código de colores y elabora un circuito que sea evaluado y eficiente para desempeñar algún trabajo o transforme la energía.

Aplica los conceptos estudiados en la elaboración de un medio que transforme la energía y sea aplicable a sociedad actual, para ello piensa en un problema y en el problema una oportunidad de negocio

ANTECEDENTES

La energía eólica alcanzó la paridad de red (el punto en el que el coste de esta energía es igual o inferior al de otras fuentes de energía tradicionales) en algunas áreas de Europa y de Estados Unidos a mediados de la década de 2000. La caída de los costes continúa impulsando a la baja el coste normalizado de esta fuente de energía renovable: se estima que alcanzó la paridad de red de forma general en todo el continente europeo en torno al año 2010, y que alcanzará el mismo punto en todo Estados Unidos en 2016, debido a una reducción adicional de sus costes del 12%.1

Coste estimado por MWh de la energía eólica en Dinamarca.

El National Renewable Energy Laboratory estima que el coste normalizado de la energía eólica enEstados Unidos disminuirá un 25% entre 2012 y 2030.17

La instalación de energía eólica requiere de una considerable inversión inicial, pero posteriormente no presenta gastos de combustible.18 El precio de la energía eólica es por ello mucho más estable que los precios de otras fuentes de energía fósil, mucho más volátiles.19 El coste marginal de la energía eólica, una vez que la planta ha sido construida y está en marcha, es generalmente inferior a 1 céntimo de dólar por kW·h.20 Incluso, este coste se ha visto reducido con la mejora tecnológica de las turbinas más recientes. Existen en el mercado palas para aerogeneradores cada vez más largas y ligeras, a la vez que se realizan constantemente mejoras en el funcionamiento de la maquinaria de los propios aerogeneradores, incrementando la eficiencia de los mismos. Igualmente, los costes de inversión inicial y de mantenimiento de los parques eólicos han descendido.21

En 2004, el coste de la energía eólica era una quinta parte del que presentaba en los años 1980, y los expertos consideran que la tendencia a la baja continuará en el futuro próximo, con la introducción en el mercado de nuevos aerogeneradores "multi-megavatio" cada vez más grandes y producidos en masa, capaces de producir hasta 7,5 megavatios de potencia por cada unidad.22 En 2012, los costes de capital de la energía eólica eran sustancialmente inferiores a los de 2008–2010, aunque todavía estaban por encima de los niveles de 2002, cuando alcanzaron un mínimo histórico.23 La bajada del resto de costes ha contribuido a alcanzar precios cada vez más competitivos. Un informe de 2011 de la Asociación Americana de la Energía Eólica (American Wind Energy Association) afirmaba:

PRINCIPALES PAÍSES POR CAPACIDAD

EÓLICA INSTALADA

PAÍS MW PAÍS MW

ALEMANIA                                    ** 6.200 CHINA                                                    340

ESTADOS UNIDOS                       ** 2.568 SUECIA                                                * 231

ESPAÑA                                         ** 2.402 GRECIA                                                 *189

DINAMARCA                                     2.300 JAPÓN                                                   150

INDIA                                                  1.220 CANADÁ                                               140

HOLANDA                                             458 IRLANDA                                               118

ITALIA                                                    427 PORTUGAL                                            100

REINO UNIDO                                       409  

MARCO TEORICO

La energía eólica no es algo nuevo, es una de las energías más antiguas junto a la energía térmica. El viento como fuerza motriz existe desde la antigüedad y en todos los tiempos ha sido utilizado como tal, como podemos observar. Tiene su origen en el sol. Así, ha movido a barcos impulsados por velas o ha hecho funcionar la maquinaria de los molinos al mover sus aspas. Pero, fue a partir de los ochenta del siglo pasado, cuando este tipo de energía limpia sufrió un verdadero impulso. La energía eólica crece de forma imparable a partir del siglo XXI, en algunos países más que en otros, pero sin duda alguna en España existe un gran crecimiento, siendo uno de los primeros países por debajo de Alemania a nivel europeo o de Estados Unidos a escala mundial. Su auge en parques eólicos es debido a las condiciones tan favorables que existe de viento, sobre todo en Andalucía que ocupa un puesto principal, entre los que se puede destacar el Golfo de Cádiz, ya que el recurso de viento es excepcional.Los primeros molinos

La referencia más antigua que se tiene es un molino de viento que fue usado para hacer funcionar un órgano en el siglo I era común.13 Los primeros molinos de uso práctico fueron construidos en Seistán, Afganistán, en el siglo VII. Estos fueron molinos de eje vertical con hojas rectangulares.14 Aparatos hechos de 6 a 8 velas de molino cubiertos con telas fueron usados para moler trigo o extraer agua.

EN EUROPA

En Europa los primeros molinos aparecieron en el siglo XII en Francia e Inglaterra y se distribuyeron por el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento. El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en una torre de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que soportaba el eje del molino y la maquinaria superior del mismo.

Estos primeros ejemplares tenían una serie de características comunes. De la parte superior del molino sobresalía un eje horizontal. De este eje partían de cuatro a ocho aspas, con una longitud entre 3 y 9 metros. Las vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera. La energía generada por el giro del eje se transmitía, a través de un sistema de engranajes, a la maquinaria del molino emplazada en la base de la estructura.

Los molinos de eje horizontal fueron usados extensamente en Europa Occidental para moler trigo desde la década de 1180 en adelante. Basta recordar los ya famosos molinos de viento en las andanzas de Don Quijote. Todavía existen molinos de esa clase, por ejemplo, en Holanda.15

MOLINOS DE BOMBEOEn Estados Unidos, el desarrollo de molinos de bombeo, reconocibles por sus múltiples velas metálicas, fue el factor principal que permitió la agricultura y la ganadería en vastas áreas de Norteamérica, de otra manera imposible sin acceso fácil al agua. Estos molinos contribuyeron a la expansión del ferrocarril alrededor del mundo, cubriendo las necesidades de agua de las locomotoras a vapor.16

TURBINAS MODERNASLas turbinas modernas fueron desarrolladas a comienzos de 1980, si bien, los diseños continúan desarrollándose.

ELECTRICIDAD

La electricidad (del griego ήλεκτρον élektron, cuyo significado es ‘ámbar’) es el conjunto de fenómenos físicos relacionados con la presencia y flujo de cargas eléctricas. Se manifiesta en una gran variedad de fenómenos como los rayos, la electricidad estática, la inducción electromagnética o el flujo de corriente eléctrica. La electricidad es una forma de energía tan versátil que tiene un sinnúmero de aplicaciones, por ejemplo: transporte, climatización, iluminación y computación.

La electricidad se manifiesta mediante varios fenómenos y propiedades físicas:Carga eléctrica: una propiedad de algunas partículas subatómicas, que determina su interacción electromagnética. La materia eléctricamente cargada produce y es influida por los campos electromagnéticos.

Corriente eléctrica: un flujo o desplazamiento de partículas cargadas eléctricamente; se mide en amperios.

Campo eléctrico: un tipo de campo electromagnético producido por una carga eléctrica incluso cuando no se está moviendo. El campo eléctrico produce una fuerza en toda otra carga, menor cuanto mayor sea la distancia que separa las dos cargas. Además las cargas en movimiento producen campos magnéticos.

Potencial eléctrico: es la capacidad que tiene un campo eléctrico de realizar trabajo; se mide en voltios.

Magnetismo: La corriente eléctrica produce campos magnéticos, y los campos magnéticos variables en el tiempo generan corriente eléctrica.

Campo eléctrico

Líneas de campo saliendo de una carga positiva hacia un conductor plano.

El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday. Un campo eléctrico se crea por un cuerpo cargado en el espacio que lo rodea, y produce una fuerza que ejerce sobre otras cargas que están ubicadas en el campo. Un campo eléctrico actúa entre dos cargas de modo muy parecido al campo que

actúa sobre dos masas, y como tal, se extiende hasta el infinito y su valor es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Sin embargo, hay una diferencia importante: Mientras la gravedad siempre actúa como atracción, el campo eléctrico puede producir atracción o repulsión. Si un cuerpo grande como un planeta no tiene carga neta, el campo eléctrico a una distancia determinada es cero. Por ello la gravedad es la fuerza dominante en el universo, a pesar de ser mucho más débil.

Un campo eléctrico varía en el espacio, y su fuerza en cualquier punto se define como la fuerza (por unidad de carga) que se necesita para que una carga esté inmóvil en ese punto.53 La carga de prueba debe de ser insignificante para evitar que su propio campo afecte el campo principal y también debe ser estacionaria para evitar el efecto de los campos magnéticos. Como el campo eléctrico se define en términos de fuerza, y una fuerza es un vector, entonces el campo eléctrico también es un vector, con magnitud y dirección. Específicamente, es un campo vectorial.53

El motor eléctrico aprovecha un efecto importante del electromagnetismo: una corriente a

través de un campo magnético experimenta una fuerza en el mismo ángulo del campo y la

corriente.

Potencial eléctrico [

El concepto de potencial eléctrico tiene mucha relación con el campo eléctrico. Una carga pequeña ubicada en un campo eléctrico experimenta una fuerza, y para haber llevado esa carga a ese punto en contra de la fuerza se necesitó trabajo. El potencial eléctrico en cualquier punto se define como la energía requerida para mover una carga de prueba ubicada en el infinito a ese punto.54 Por lo general se mide en voltios, donde un voltio es el potencial en el que un julio (unidad) de trabajo debe gastarse para traer una carga de un culombio del infinito. Esta definición formal de potencial tiene una aplicación práctica, aunque un concepto más útil es el de diferencia de potencial, y es la energía requerida para mover una carga entre dos puntos específicos.

ELECTROMAGNETISMO

Se denomina electromagnetismo a la teoría física que unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos son obra de Faraday, pero fueron formulados por primera vez de modo completo por Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales, conocidas como ecuaciones de Maxwell, que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales: densidad de carga eléctrica, corriente eléctrica, desplazamiento eléctrico y corriente de desplazamiento.

A principios del siglo XIX Ørsted encontró evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. A partir de esa base Maxwell unificó en 1861 los trabajos de físicos como Ampère, Sturgeon, Henry, Ohm y Faraday, en un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos como uno solo, el fenómeno electromagnético.58

Se trata de una teoría de campos; las explicaciones y predicciones que provee se basan en magnitudes físicas vectoriales y son dependientes de la posición en el espacio y del tiempo. El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los que intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre la materia.

Un circuito eléctrico básico. La fuente de tensión V en la izquierda provee una corriente  al

circuito, entregándole energía eléctrica al resistor R. Del resistor, la corriente regresa a la

fuente, completando el circuito.

Circuitos eléctricos

Un circuito eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos tales que la carga eléctrica fluye en un camino cerrado, por lo general para ejecutar alguna tarea útil.

Los componentes en un circuito eléctrico pueden ser muy variados, puede tener elementos o moresistores, capacitores, interruptores, transformadores y electrónicos. Los circuitos electrónicos contienen componentes activos, normalmente semiconductores, exhibiendo un comportamiento no lineal, necesitando análisis complejos. Los componentes eléctricos más simples son los pasivos ylineales.

El comportamiento de los circuitos eléctricos que contienen solamente resistencias y fuentes electromotrices de corriente continua está gobernado por las Leyes de Kirchhoff. Para estudiarlo, el circuito se descompone en mallas eléctricas, estableciendo un sistema de ecuaciones lineales cuya resolución brinda los valores de los voltajes y corrientes que circulan entre sus diferentes partes.61

La resolución de circuitos de corriente alterna requiere la ampliación del concepto de resistencia eléctrica, ahora ampliado por el de impedancia para incluir los comportamientos de bobinas y condensadores. La resolución de estos circuitos puede hacerse con generalizaciones de las leyes de Kirchoff, pero requiere usualmente métodos matemáticos avanzados, como el de Transformada de Laplace, para describir los comportamientos transitorios y estacionarios de los mismos.61

APLICABILIDAD

¿QUE ES LA ENERGÍA EOLICA?La energía eólica es la energía cuyo origen proviene del movimiento de masa de aire3 es decir del viento.En la tierra el movimiento de las masas de aire se deben principalmente a la diferencia de presiones existentes en distintos lugares de esta, moviéndose de alta a baja presión, este tipo de viento se llama viento geoestrofico.Para la generación de energía eléctrica apartir de la energía del viento a nosotros nos interesa mucho mas el origen de los vientos en zonas más especificas del planeta, estos vientos son los llamados vientos locales, entre estos están las brisas marinas que son debida a la diferencia de temperatura entre el mar y la tierra , también están los llamados vientos de montaña que se producen por el calentamiento de las montañas y esto afecta en la densidad del aire y hace que el viento suba por la ladera de la montaña o baje por esta dependiendo si es de noche o de día.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CANTIDAD DE POTENCIA

DEL VIENTO:

La energía eólica es aprovechada por nosotros básicamente por un sistema de un rotor que gira a medida que pasa viento por este:

La potencia del viento depende principalmente de 3 factores:

Área por donde pasa el viento (rotor) Densidad del aire Velocidad del viento

Para calcular la formula de potencia del viento se debe considerar el flujo másico del viento que va dado por: 

Densidad del viento

Área por donde pasa el viento

Velocidad del vientoEntonces el flujo Básico viene dado por la siguiente expresión: 

 Entonces la potencia debido a la energía cinética está dada por: 

FUNCIONAMIENTO DE UN AEROGENERADOR 

El aerogenerador consta de varias partes un esquema general de cómo funciona el aerogenerador esta dado por la siguiente figura:

PALAS DEL ROTOR: Es donde se produce el movimiento rotatorio debido al viento. Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.

CAJA DE ENGRANAJES O MULTIPLICADORES: Encargados de cambiar la frecuencia de giro del eje a otra menor o mayor según dependa el caso para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este funcione. 

GENERADOR: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía eléctrica.

Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el funcionamiento eficiente y correcto del aerogenerador en base a la calidad de servicio de la energía eléctrica, alguno de ellos son:

 

CONTROLADOR ELECTRÓNICO: que permite el control de la correcta orientación de las palas del rotor, también en caso de cualquier contingencia como sobrecalentamiento del aerogenerador lo para.

UNIDAD DE REFRIGERACIÓN: Encargada de mantener al generador a una temperatura prudente.

ANEMÓMETRO Y LA VELETA: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del viento y la dirección de este respectivamente.

Están conectadas al controlador electrónico quien procesa estas señales adecuadamente.

CONTROL DE POTENCIA EN LOS AEROGENERADORES

También llamados por regulación de ángulo de paso, el controlador electrónico lleva un registro de las potencias entregadas por el aerogenerador, si la potencia entregada pasase un valor nominal el controlador hace que el ángulo por donde se recibe el viento cambie de posición lo que hace que cambie el área efectiva por donde pasa el viento y por lo tanto disminuye su potencia absorbida, en el caso que la potencia recibida es muy chica se hace el procedimiento contrario

Denominados también regulados por perdida de aerodinámica, las palas del rotor están fijas al eje, las palas del rotor han sido aerodinámicamente diseñadas de tal manera que a medida que aumenta la velocidad del viento se produce paridad de potencia por turbulencias y así se regula la potencia generada Por alerones.

Esta técnica consiste en cambiar la geometría de las palas del rotor, sin embargo esto produce fuerzas que pueden dañar la estructura, por lo tanto es sola usada en generadores de baja potencia.

 

OPERACIÓN ECONÓMICA DE LA GENERACIÓN EÓLICA

Como sabemos la energía eólica posee un elemento aleatorio en su generación que es la fuerza del viento análogo a las hidrogene adoras que su variable aleatoria es las hidrológica.Como sabemos una operación eficiente de un sistema eléctrico consiste en resolver un problema de optimización el cual considera que: 

Equilibrio de la oferta y la demanda de energía Conversión de la energía de recursos primarios Capacidad de las plantas y potencias instaladas Capacidad almacenada

 

También este problema de operación económica considera: 

Variabilidad  de la demanda a lo largo del año

Abastecimiento de la demanda en periodos de alta y baja Proyección de la demanda en el futuro

 Viendo distintos datos se puede apreciar un ejemplo  de la operación económica en Turquía (Los datos están de acuerdo a sus características geográficas, así que si hay mucha diferencia con el caso chileno no extrañarse) en donde existen distintos tipos de tipo de generación encontrándose los siguientes valores: 

Hidroeléctrica: Costo 40 $/Kw/año Térmica: Costo 20 $/Kw/año (Bencina + operación) Solar: Costo 30 $/Kw/año Eólica: Costo 30 $/Kw/año

 Para un eficiente despacho de las generadoras se despacha según el menor costo, en Turquía se ven dos tipos de periodos uno normal y otro de alta demanda registrándose los siguientes tipos de despachos:

COMIENZO DE DESARROLLO DEL PROYECTO

MADERA PEGANTES

CONDUCTORES- CABLES PROTOBOARD

TRANSFORMADOR LAMINAS METALICAS

RESISTENCIAS EQUIPO DE SOLDADURA

CIBERGRAFIA

H Power Corporation, www.hpower.com, www.hpowercanada.com (a variety of PEM fuel cell powered products, including backup power system)

H-TEK, Inc., www.h-tek.com (educacional fuel cell kits) Heliocentric Energiesysteme, www.heliocentris.com (educacional fuel

cell kits) IdaTech, www.idatech.com (fuel cell systems with up to 10 kW in

generating power) ONSI Corporation, www.ONSICORP.com (200kW PAFC power plants) Plug Power, LLC, www.plugpower.com (PEM fuel cells for residential

applications) Warsitz Enterprises, www.warsitz.com (small PEM fuel cell systems for

portable poder, experiment kits).

BIBILOGRAFIA

ELEMENTOS DE LA FISICA APLICADAJosé V. Herráez Domínguez.

FISICA ELECTRICA PARA INGENIEROJairo Enrique Lalinde M.

PROYECTO EN DESAROLLO