Curso SEI 029 Proyecto 2
Anuncio
ANTEPROYECTO ESTACION DE BOMBEROS AUTO-SOSTENIBLE. JUAN CARLOS ESPINAL ZAMBRANO. HÉCTOR FABIO CIFUENTES LÓPEZ. JUAN GABRIEL PUERTA HENAO. CENTRO DE ESTUDIOS DE CICENCIAS AERONAUTICAS CEA. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN. BOGOTA D.C. 2011. 1 ANTEPROYECTO ESTACION DE BOMBEROS AUTO-SOSTENIBLE. ANTEPROYECTO. PRESENTADO A: Ing. JAIRO BARRIENTOS ROJAS POR: JUAN CARLOS ESPINAL ZAMBRANO. HÉCTOR FABIO CIFUENTES LÓPEZ. JUAN GABRIEL PUERTA HENAO. CENTRO DE ESTUDIOS DE CICENCIAS AERONAUTICAS CEA. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN. BOGOTA D.C. 2011. 2 INDICE DEL CONTENIDO. PAGINA Planteamiento del problema………………………………………………1 Justificación………………………………………………………………….2 Objetivos…………………………………………………………………..…3 Objetivo General…………………………………………………………….3 Objetivos Específicos……………………………………………………...3 Abstract.………………………………………………………………….…..4 Introducción………………………………………………………………...5 Proyecto estación de bomberos Auto-sostenible……………...........6 Energía solar…………………………………………………………….….9 Sistemas fotovoltaicos. ………………………………………………....10 Determinación del Potencial de Energía Solar de un Lugar.……...11 Procedimiento de Selección de los Módulos Fotovoltaicos.…..…13 Módulos Fotovoltaicos. ………………………………………………....14 Como funciona el sistema fotovoltaico……………………………….15 Energía alterna. ………………………………...…………………………17 Selección de los Módulos Fotovoltaicos……………………………..17 Instalación de los Paneles Fotovoltaicos………………………...….19 Sistema AC (inversor)……………………………………………...…….21 Aguas recicladas……………………………………………………..…..22 Diseño del sistema de aguas grises………………………………….22 3 Diseño del depósito acumulador………………………………...……24 Reciclado del agua de lluvia…………………………………………..26 Ventajas de la captación de aguas pluviales…………………..…..27 Cronograma…………………………………………………………..….30 Glosario…………………………………………………………...………32 Bibliografía……………………………………………………………….33 4 LISTA DE FIGURAS. PAGINA Figura 1. Esquema de los tres pilares del desarrollo sostenible…………………………………………...6 Figura 2. The Light house vivienda auto-sostenible………………….8 Figura 3. Panel solar. ………………………………………………………9 Figura 4. Sistema del panel solar…………………………………..……11 Figura 5. Sistema del inversor panel solar………………………...…..21 Figura 6. Detalle de trampa de grasa………………………………..….23 Figura 7. Detalle de tanque acumulador…………………………….…24 Figura 8. Sistema de aguas lluvias…………………………………..….26 Figura 9. Almacenaje de aguas lluvias……………………………...….27 Figura 10.Detalle filtro…………………………………………………..…28 Figura 11. Tanque de almacenamiento…………………………………29 5 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Sabemos que la población mundial se enfrenta a problemas ambientales. Viendo la situación actual del Planeta como lo estamos contaminando y no hacemos nada por recuperar esta gran fuente de vida, cada día nos apropiamos de tierras y construimos grandes estructuras “para un mejor desarrollo” pero no le devolvemos nada a nuestro planeta y esto ha ocasionado que se esté enfermando, viéndonos en un problema ambiental muy grande. La creciente demanda del recurso hídrico está generando conflictos de uso y además es fuente de vida y para muchas actividades y en una estación de bomberos el agua es el principal componente para la extinción de fuegos. Y podemos ver en estas estaciones que se genera un desperdicio de este líquido preciado en entrenamientos y necesidades diarias se desperdicia agua esto es un agravante ya que al no existir un mecanismo de saneamiento y reciclaje de este líquido se desperdicia. Por eso queremos contribuir al mejoramiento de este problema, es decir comenzar a devolverle algo y con ayuda de tecnologías podemos contribuir al mejoramiento ambiental. Vemos que en los aeropuertos más precisamente en las estaciones de bomberos como el uso del agua de cierta forma está siendo mal utilizado y como esto contribuye al problema. En la actualidad hay muchos edificios construidos, y no están diseñados para que sean amigables con el medio ambiente y que sean más eficientes en el consumo de sur servicios este proyecto quiere contribuir a la adaptación de la estación con tecnologías que recicles sus propios servicios. El problema tiene entonces dos componentes importantes, uso de sus servicios como son el agua y la energía. Debido a esto, surge la pregunta: ¿Sera viable y factible crear una estación auto-sostenible que aproveche al máximo los productos naturales sin deteriorar el entorno, utilizando un sistema que logre minimizar los gastos para el mejoramiento de nuestro ambiente; dedicada a la producción de energía solar y tratamientos de aguas lluvias? 6 JUSTIFICACION. En la gran mayoría de las estaciones de bomberos por no decir que todas el desperdicio de agua es inevitable pero no se hace nada para reutilizar este liquido, esto se puede ver en como la utilizan en los entrenamientos, lavado de carros y el uso de las zonas húmedas todo esto implica el mal uso del agua como esta dicho en la primera parte, el planeta nos brinda el recurso pero no le brindamos nada a ella, por esta razón la propuesta radica en reutilizar este recurso fuente de vida y que vulva a tener un uso dentro de la misma estación. El proyecto busca poner en práctica los tres piolares de la sostenibilidad y conocimientos adquiridos por la investigación del tema ambiental a si contribuir a la mejora y reutilizar los recursos naturales. 7 OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL. Proponer una estación SEI que contribuya al mejoramiento de ambiente con la reutilización del agua y el aprovechamiento de la energía solar bajo condiciones seguras del uso de tecnologías y determinar si es viable. OBJETIVOS ESPECIFICOS. Proponer un tipo de construcción para el sistema de reutilización de aguas residuales en una estación SEI. Proponer un sistema que minimice el gasto de agua potable y que permita la reutilización de agua residual, de forma controlada y segura. Proponer un sistema de almacenamiento de agua para tanqueo de las maquinas de extinción de incendios y para el uso en oficios diarios, con la reutilización de aguas residuales grises y lluvia. Proponer un sistema de separación de aguas negras y aguas grises para viabilizar el recurso de las aguas residuales grises. La implantación de panales solares para abastecer de energía a la estación SEI. También un sistema de almacenamiento de energía. 8 ABSTRACT. El proyecto se plantea por el interés de cuidar el medio ambiente y aprovechando las estaciones de bomberos SEI, así aplicarlo en cualquier estación de bomberos de cualquier parte de Colombia con el propósito de ser un ejemplo que colabore con la protección del medio ambiente, este proyecto se aplicara en una estación y brindara respuesta a las necesidades que requiere una estación. El proyecto lo que busca es adoptar nuevas tecnologías en el campo de una estación de bomberos y así también contribuir en una ayuda económica de la misma. Adicionalmente mejora la calidad del entorno por la utilización de los recursos naturales. 9 INTRODUCCION. Ya no podemos ignorarlo por más tiempo, el cambio climático es una realidad y cualquier actividad humana, por sencilla que resulte parece la responsable. Lo que sí sabemos a ciencia cierta es que la súper-explotación urbanística tiene algo de culpa. Todo lo que debe cambiar, necesita una alternativa y así como en el sector energético ya se han encontrado respuestas como la solar o la eólica, y los biocombustibles, en el terreno de la construcción se avanzan muy lentamente. Sabemos que la escasez de los recursos hídricos son características comunes de diferentes países. Sin embargo, una diferencia notable entre ellos es el gran auge que la reutilización de aguas residuales tratadas ha alcanzado durante las últimas décadas, tanto para el riego de jardines privados y públicos, campos agrícolas, como para refrigeración industrial o recarga de acuíferos costeros, entre otros recursos. En lugar de utilizar agua potable de consumo público, actualmente se están reutilizando aguas residuales tratadas, con una calidad sanitaria y estética similar a la del agua del abastecimiento. Junto a esta forma de reutilización del agua, denominada incidental o fortuita, ha surgido durante las últimas décadas un enorme interés por la reutilización planificada del agua. De este modo, un agua empleada es sometida a un tratamiento que le permita alcanzar cierta calidad antes de ser enviada a otra zona para ser aprovechada de nuevo en un uso adicional. Con estas necesidades como punto de referencia, planteamos nuevas tecnologías que ya se encuentran en el mercado y así ayudar y que den una respuesta integral al mejoramiento del medio en que se encuentran las estaciones SEI. La estación sostenible es la solución a muchos de los problemas actuales en la construcción que combina las ventajas de una edificación tradicional y de un hogar a la moderna. No origina ningún impacto medioambiental y reduce los costes de construcción y de mantenimiento. 10 PROYECTO ESTACIÓN DE BOMBEROS AUTO-SOSTENIBLE. La estación de bomberos se define como el inmueble en el que se realizan actividades administrativas de organización del cuerpo de bomberos para proporcionar los servicios adecuados en la extinción de incendios, a la población en diversos tipos de siniestros o accidentes, así como establecer y difundir a la población en medidas preventivas para evitarlo y en su caso de cómo actuar en caso de una emergencia. Para su adecuado funcionamiento requiere de estacionamientos para autobombas y para vehículos de servicio auxiliares, administración y control, dormitorios y vestidores, cocina, comedores, sanitarios, bodegas, cuartos de maquinas, patio de maniobras y estacionamiento. Lo que se quiere lograr con el proyecto es las estaciones SEI sean más viables y sostenibles sin ayuda ni apoyo de otros organismos. Que contribuya en lo social, lo económico y en lo más importante en lo ecológico como lo vemos en la grafica 1. Figura 1. Esquema de los tres pilares del desarrollo sostenible. 11 El ámbito del desarrollo sostenible puede dividirse conceptualmente en tres partes: ecológico, económico y social. Se considera el aspecto social por la relación entre el bienestar social con el medio ambiente y la bonanza económica. El triple resultado es un conjunto de indicadores de desempeño de una organización en las tres áreas. Ante esta situación, se plantea la posibilidad de mejorar la tecnología y la organización social de forma que el medio ambiente pueda recuperarse al mismo ritmo que es afectado por la actividad humana. La sostenibilidad es un término complejo y tiene varias concepciones, la definición utilizada, en la presente investigación es aquella de la Comisión Brundtland (1987). Como ya se había expuesto, el desarrollo es sustentable cuando satisface las necesidades de la presente generación sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para que satisfagan sus propias necesidades. La definición de sostenibilidad implica tener en cuenta tres dimensiones definidas: la económica, la social y la ambiental. Arquitectura sostenible. Los cinco pilares en los que debe fundamentarse la Arquitectura Sostenibles son: 1. Optimización de los recursos. 2. Disminución del consumo energético y uso de energías renovables. 3. Disminución de residuos y emisiones. 4. Disminución del mantenimiento, explotación y uso de los edificios. 5. Aumento de la calidad de vida de los ocupantes de los edificios. A su vez, cada uno de estos puntos se puede detallar en otros mucho más concretos y de directa aplicabilidad. El Arquitecto Luis de Garrido ha desarrollado a partir de estos principios fundamentales un conjunto de indicadores que podrán determinar cuan ecológico es un determinado edificio. Éstos a su vez se conjuntan en 5 grupos: MR [Materiales y recursos], E [energía], GR [gestión de residuos], S [salud] y U [uso del edificio]. Cada indicador se cuantifica por separado de forma porcentual. Al final, se tiene un valor por grupo, que da muestra del grado total de *sostenibilidad* de una determinada construcción. The Light house es una casa sostenible diseñada por Sheppard Robson. Las paredes están aisladas con un material especial que retiene un 60% más de calor, los paneles solares generan electricidad suficiente y la cubierta recoge el agua pluvial para usarla en casa. La novedad en este caso (Diseño y gustos aparte) 12 viene porque también han incorporado un sistema de reciclaje de basura para separar la basura combustible (Quemándola para generar más energía) del resto. La casa se encuentra en el BRE Innovation Park en Watford, Inglaterra dónde hay varios prototipos de edificios hechos con Métodos Modernos de Construcción, casas con casi nulas emisiones de carbono y diferentes tecnologías emergentes. Véase Figura 2. Figura 2. The Light house vivienda auto-sostenible. 13 ENERGIA SOLAR. Figura 3. Panel solar. La energía solar se manifiesta de diversas formas y su aplicación ha sido fundamental para el desarrollo de toda la humanidad. A estas formas se les conoce como energías renovables, ya que son formas de energía que se van renovando o rehaciendo con el tiempo o que son tan abundantes en la tierra, que perdurarán por cientos o miles de años, las usemos o no. Se puede producir energía eléctrica a través de la conversión de la energía solar, la cual requiere de una tecnología que la mayor parte de la población desconoce pero que con una adecuada campaña de educación sobre el tema puede motivar a la población a emplearla. Energía solar directa. La energía solar que recibe nuestro planeta es resultado de un proceso de fusión nuclear que tiene lugar en el interior del Sol. De toda la energía que produce ese proceso nuestro planeta recibe menos de una milmillonésima parte. Esa energía, que en poco más de ocho minutos recorre los más de 145 millones de kilómetros que separan al Sol de la Tierra resulta, sin embargo, una cantidad enorme en proporción al tamaño de nuestro planeta. La energía solar se manifiesta en un espectro que se compone de radiación ultravioleta, visible e infrarroja. Al llegar a la Tierra, pierde primero su parte 14 ultravioleta, que es absorbida por una capa de ozono que se presenta en el límite superior de la atmósfera. Ya en la atmósfera, la parte infrarroja se pierde ya sea por dispersión al reflejarse en las partículas que en ella se presentan o al llegar a las nubes, que son capaces de reflejar hasta un 80% de la radiación solar que a ellas llega. El resto llega a la superficie, ya sea de manera directa o indirectamente como reflejo de las nubes y partículas en la atmósfera. La radiación solar que llega a la superficie terrestre se puede transformar directamente en electricidad o calor. El calor, a su vez, puede ser utilizado directamente como calor o para producir vapor y generar electricidad. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. Se le llama sistema fotovoltaico al conjunto de elementos, debidamente acoplados, que permiten utilizar la energía eléctrica obtenida por conversión de la energía solar mediante las células o celdas solares. Los sistemas fotovoltaicos presentan una importante simplificación respecto a los procesos energéticos convencionales, debido a que transforman una energía primaria: la energía solar; en electricidad de un modo directo, es decir, sin transformaciones intermedias en otras formas de energía. Por lo tanto, las células solares o celdas fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad, de un modo directo. Las celdas fotovoltaicas son placas fabricadas principalmente de silicio. Cuando al silicio se le añaden cantidades relativamente pequeñas de ciertos materiales con características muy particulares, obtiene propiedades eléctricas únicas en presencia de luz solar: los electrones son excitados por los fotones asociados a la luz y se mueven a través del silicio produciendo una corriente eléctrica; este efecto es conocido como fotovoltaico. La eficiencia de conversión de estos sistemas es de alrededor de 15%, por lo que un metro cuadrado puede proveer aproximadamente entre unos 150 Watts. Las celdas fotovoltaicas, para poder proveer de energía eléctrica en las noches, requieren de baterías donde se acumula la energía eléctrica generada durante el día, lo cual encarece su aplicación. También existen otras posibilidades de utilización de estos sistemas, como por ejemplo sistemas fotovoltaicos conectados directamente a la red eléctrica, evitando así el uso de baterías, por lo que la energía que generan se usa de inmediato por el propio usuario que la genera, con 15 la posibilidad de vender los excedentes de electricidad a las compañías generadoras, sistema que ya se ha implementado en varios países. Figura 4. Sistema del panel solar. DETERMINACIÓN DEL POTENCIAL DE ENERGÍA SOLAR DE UN LUGAR. El sol emite constantemente enormes cantidades de energía; una fracción de ésta alcanza la tierra. Sin embargo, no toda la energía proveniente del sol puede ser utilizada de manera efectiva. Parte de la luz solar es absorbida en la atmósfera terrestre o, reflejada nuevamente al espacio. La Radiación Solar podemos definir los siguientes conceptos básicos: Radiación Directa: Es la radiación solar recibida del sol que haya sido difractada por la atmósfera. Radiación Difusa: Es la Radiación solar recibida del sol después que su dirección ha sido cambiada debido a los procesos de reflexión y refracción que ocurren en la atmósfera. Radiación Total: Es la suma de las radiaciones directa y la difusa que inciden sobre una superficie. Radiación Total = Radiación Directa + Radiación Difusa. 16 Horas de Sol Equivalente. La intensidad de la luz solar que alcanza nuestro planeta varía según el momento del día y del año, el lugar y las condiciones climáticas. La energía total registrada sobre una base diaria o anual se denomina "radiación" e indica la intensidad de dicha luz. La radiación se expresa en Wh/m² por día o, también, en kWh/m² por día. Con el fin de simplificar los cálculos realizados basándose en la información de radiación, la energía solar se expresa en equivalentes a horas de luz solar plena. La luz solar plena registra una potencia de unos 1,000 W/m²; por lo tanto, una hora de luz solar plena equivale a 1 kWh/m² de energía, es también denominada "hora de sol equivalente", "hora de sol pico" u "hora de sol punta". La luz solar plena registra una potencia de unos 1000 W/m². Esta luz, cayendo en perpendicular sobre una superficie de 1 m² durante una hora, equivale a una energía de 1000 Wh ó 1 kWh (Energía = Potencia multiplicada por tiempo. (E = P x t)). Del mismo modo, una radiación diaria promedio de 5 kWh/m²/día corresponderá a 5 horas de luz solar plena al día. Para entender este concepto de una manera más fácil, se entregan a continuación las definiciones de Irradiación e Insolación: Irradiancia: Potencia solar medida en Watts por metro cuadrado (W/ m²) Parámetro clave para entender o probar el rendimiento sistemas fotovoltaicos en un momento dado. Insolación: Energía solar medida en Watts-hora por metro cuadrado (Wh/ m²) Parámetro clave para diseñar sistemas fotovoltaicos o entender su desempeño promedio. 1000 Wh/m² = 1 kWh/m² = 1 Hora Solar Punta (HSP) Como se señalaba anteriormente, para el cálculo de la energía entregada por un panel solar, y facilitar el cálculo, se deberá transformar esta información de la Insolación de un día, en "HORAS DE SOL EQUIVALENTE", donde se toma el valor entregado por la Insolación, y al dividirlo por el valor de 1000Watt.Hora / m² nos entrega el valor de estas "Horas de Sol Equivalente". 17 Potencia Punta. Al ser expuesta a la luz, una celda solar produce electricidad. Dependiendo de la intensidad de la luz (la radiación en W/m²), una celda solar produce mayor o menor cantidad de electricidad: la luz solar plena es preferible a la sombra y, a su vez, la sombra es mejor que la luz eléctrica. Para hacer una comparación entre diferentes celdas y paneles solares es necesario conocer la llamada "potencia nominal" de los mismos. La potencia nominal, expresada en Watts Punta o Wp (Watts Peak), es una medida que indica cuánta energía puede producir dicho panel solar bajo condiciones óptimas de operación. Para determinar y comparar la potencia nominal de los paneles solares, se mide su salida bajo condiciones estándar de prueba (STC). Estas son: Una radiación de 1000 W/m² Un espectro solar de referencia de AM 1,5 (que define el tipo y color de la luz) Una temperatura de celda de 25 °C (la eficiencia de un panel solar disminuye significativamente cuando la temperatura de la celda aumenta). PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. Conceptos Básicos. Para poder seleccionar los Módulos Fotovoltaicos, debemos primero entender que es un Módulo Fotovoltaico, y para esto definiremos conceptos básicos: La Celda Fotovoltaica. La palabra fotovoltaico(a) está formada por la combinación de dos palabras de origen griego: Foto, que significa luz, y voltaico que significa eléctrico. El nombre resume la acción de estas celdas: transformar, directamente, la energía luminosa en energía eléctrica. El voltaje de una celda fotovoltaica (Celda FV) es de corriente continua (CC). Por lo tanto, hay un lado que es positivo y otro negativo. Las celdas Fotovoltaicas que se ofrecen en el mercado actual utilizan dos tipos de materiales semiconductores. Uno tiene una estructura cristalina uniforme, el otro una estructura policristalina. El tipo cristalino requiere un elaborado proceso de 18 manufactura, que insume enormes cantidades de energía eléctrica, incrementando substancialmente el costo del material semiconductor (generalmente Silicio). Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad oscila entre un 9% y un 12%. La versión policristalina se obtiene fundiendo el material semiconductor, el que es vertido en moldes rectangulares. Su estructura cristalina no es uniforme, de ahí el nombre de poli (muchos) y cristalino (cristales). Su eficiencia en conversión de luz solar en electricidad es algo menor a las de silicio Monocristalino. Los dos tipos pueden ser identificados a simple vista, ya que la estructura cristalina provee una superficie de brillo uniforme, mientras que la policristalina muestra zonas de brillo diferente. Las celdas Fotovoltaicas que utilizan semiconductores cristalinos tienen una eficiencia mayor a las que utilizan el semiconductor policristalino, pero los procesos de fabricación que usan materiales semiconductores no-cristalinos (policristalinos o amorfos) prometen ser la solución más económica en el futuro. La competencia entre tecnologías genera nuevos métodos de fabricación a menores costos. De no ser tratada, la superficie del material semiconductor que está expuesta a la luz incidente tiende a reflejar una porción de la misma, disminuyendo la cantidad de energía luminosa que puede llegar al par semiconductor. Para evitar esta pérdida, el fabricante deposita una finísima capa de material antireflectante. MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. El módulo fotovoltaico está compuesto por celdas individuales conectadas en serie. Este tipo de conexión permite adicionar tensiones (voltajes). La tensión nominal del módulo será igual al producto del número de celdas que lo componen por la tensión de cada celda (aprox. 0,5 Volts). Generalmente se producen módulos formados por 30, 32, 33 y 36 celdas en serie, según la aplicación requerida. Se busca otorgarle al módulo, rigidez en su estructura, aislación eléctrica y resistencia a los agentes climáticos. Por esto, las celdas conectadas en serie son encapsuladas en un plástico elástico (Etilvinilacelato) que hace las veces de aislante eléctrico, un vidrio templado de bajo contenido de hierro, en la cara que mira al sol, y una lámina plástica multicapa (Poliéster) en la cara posterior. En 19 algunos casos el vidrio es reemplazado por una lámina de material plástico transparente. El módulo tiene un marco que se compone de aluminio o de poliuretano, y cajas de conexiones a las cuales llegan las terminales positivo y negativo de la serie de celdas. En las borneras de las cajas se conectan los cables que vinculan el módulo al sistema. CÓMO FUNCIONA EL SISTEMA FOTOVOLTAICO. Sistema de Generación. Un sistema Fotovoltaico consiste en la integración de varios componentes, cada uno de ellos cumpliendo con una o más funciones específicas, a fin de que éste pueda suplir la demanda de energía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando la energía solar. La carga eléctrica determina el tipo de componentes que deberán utilizarse en el sistema. La completa definición de la carga debe tener en cuenta tres características que la definen: el tipo, el valor energético y el régimen de uso. Existen tres tipos de cargas: Corriente Continua, Corriente Alterna, y mixta (CC y CA). Cuando la carga tiene aparatos de Corriente Alterna, se necesitará incorporar al sistema un inversor. Este componente transforma el voltaje de Corriente Continua proporcionado por los paneles en un voltaje de Corriente Alterna. Las pérdidas de energía en estos sistemas son mayores que la de los de Corriente Continua. El valor energético representa el total de energía que consumirá la carga dentro de un período determinado, generalmente un día. Para sistemas pequeños este valor estará dado en Wh/día. Para sistemas de mayor consumo en KWh/día. El régimen de uso responde a dos características: cuándo se usa la energía generada y la rapidez de su uso. Dependiendo de cuándo se usa la energía, se tendrá un régimen diurno, nocturno o mixto. La rapidez del consumo (energía por unidad de tiempo), determina el valor de la potencia máxima requerida por la carga. Ahora bien, dentro de los sistemas de generación podemos definir los siguientes tipos: a) Directamente conectados a una carga. 20 b) c) d) e) Sistema módulo batería. Sistema fotovoltaico, batería y regulador. Sistema Fotovoltaico Mixto. Sistema Híbrido. a) Directamente conectados a una carga: Es el sistema más simple en el cual el generador fotovoltaico se conecta directamente a la carga, normalmente un motor de corriente continua. Se utiliza fundamentalmente en bombeo de agua. Al no existir baterías ni componentes electrónicos aumenta la confiabilidad pero resulta difícil mantener un rendimiento eficiente a lo largo del día. b) Sistema módulo batería: Se puede utilizar un módulo fotovoltaico para reponer simplemente la autodescarga de una batería que se utilice para el arranque de un motor, por ejemplo. Para ello pueden utilizarse los módulos de silicio amorfo o Monocristalino. Otra importante aplicación en la que el sistema fotovoltaico se conecta en forma directa a la batería es en sistemas de electrificación rural de pequeña potencia. En estos casos se utilizan generalmente uno o dos módulos de silicio monocristalino de 30 celdas cada uno conectados en paralelo para lograr la potencia deseada. c) Sistema fotovoltaico, batería y regulador Es la configuración utilizada con módulos de 33 o 36 celdas en la cual se conecta el generador fotovoltaico a una batería a través de un regulador para que esta no se sobrecargue. Las baterías alimentan cargas en corriente continua. d) Sistema Fotovoltaico con carga Mixta: Un sistema Fotovoltaico con carga mixta es aquel que tiene cargas de Corriente Continua y Corriente Alterna. La introducción de cargas de Corriente Alterna en un sistema Fotovoltaico para uso doméstico ocurre, en general, por la inexistencia de un modelo adecuado para Corriente Continua del aparato requerido por el usuario. e) Sistema Híbrido: Un sistema Fotovoltaico híbrido es aquel que utiliza otras fuentes de energía (renovables o no) para complementar la acción generadora de los paneles 21 Fotovoltaicos. La composición híbrida del sistema de generación define a este sistema. ENERGÍA ALTERNA. Cuando se necesite energía en corriente alterna se deberá incluir un inversor. La potencia generada en el sistema fotovoltaico podrá ser transformada íntegramente en corriente alterna o podrán alimentarse simultáneamente cargas de corriente continua (C.C.) y de corriente alterna (C.A.) La conversión de Corriente Continua a Corriente Alterna se realiza con una eficiencia que oscila entre el 75% y el 91%. Esto significa que las pérdidas varían entre el 25% y el 9% de la potencia suministrada a la entrada. Los valores porcentuales más elevados corresponden a los modelos que manejan un bajo valor de potencia. Esto se debe a que el consumo del circuito del inversor no crece proporcionalmente con el aumento de la potencia que éste puede manejar. Porcentualmente, estas pérdidas representan un menor valor cuando la potencia que maneja el inversor se eleva. Modelos de 100 W a 200 W pierden entre 20% y 25%. Modelos de más de 400 W pierden entre el 9% y el 15 %. Dentro del rango de trabajo especificado para la unidad, el porcentaje de pérdida varía con la carga. Por esto se debe observar este detalle al estudiar las especificaciones de la unidad elegida. SELECCIÓN DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. Ahora que conocemos lo necesario para dimensionar el sistema fotovoltaico, deberemos considerar las siguientes variables: Precio de los Módulos: Al contrario que con la mayoría de los elementos que debemos adquirir en el mercado para los distintos requerimientos del cliente, el precio en el proceso de selección de los Módulos Fotovoltaicos no es tan predominante, como lo puede ser La "Potencia Punta" del módulo u otros, sino viene participando en el proceso final de selección, cuando ya se ha determinado que tipos de paneles se instalarán, comparando los costos de cada solución. 22 Potencia Punta: Esta variable afecta en gran medida al proceso de selección de los paneles fotovoltaicos, ya que influye finalmente en la solución óptima. Por ejemplo si hay una muy pequeña demanda eléctrica, el tipo de módulo fotovoltaico que se deberá seleccionar deberá tener un valor de Potencia Punta lo más cercano al valor de la potencia necesaria para abastecer de electricidad. Energía eléctrica que se debe abastecer: La cantidad de energía eléctrica nos incide también en el proceso de selección, ya que si la demanda eléctrica es alta, nos convendrá contar con un menor número de módulos fotovoltaicos, pero de mayor potencia, para evitar mayores pérdidas. Tipo de célula constituyente: Este parámetro queda incluido indirectamente en "Potencia Punta", ya que el tipo de célula constituyente, (cristalina, policristalina, amorfo) incidirá en el rendimiento del módulo con la consiguiente variación entre un tipo y otro de módulo y en las Potencias Punta de cada uno, con el caso particular del panel amorfo, que podrá ser necesario en un caso muy particular en el que se le debiera dar por algún motivo al panel cierta oblicuidad, cosa que ni el módulo cristalino o el policristalino podrían solucionar de manera tan simple. Disponibilidad en el mercado: Este factor es de esperar que muy pronto sea menos importante, y que suceda como es actualmente el caso de los hormigones premezclados, que se encuentran en la mayoría del país y que han ayudado mucho al proceso constructivo chileno, disminuyendo los tiempos de trabajo entre otras ventajas. La disponibilidad de los paneles fotovoltaicos va en aumento, al igual que la mejora en la tecnología, lo que implica un aumento en los rendimientos de potencia generada. Por lo pronto se debe cuidar de tener en cuenta la mayor cantidad de distribuidores en el mercado, y las facilidades que entregan para el transporte hasta el lugar donde se requieren o cual es el punto más cercano de entrega, y los diferentes cargos que puedan aplicar los distribuidores por la localización geográfica de la vivienda, que si es rural, por cierto no se encontrará en los puntos centrales de distribución. Radiación Solar disponible: Este parámetro no diferenciará uno de otro modelo fotovoltaico, pero si influirá en la cantidad de módulos fotovoltaicos que se requieren para abastecer el consumo 23 eléctrico. A mayor Radiación Solar disponible, una menor cantidad de módulos fotovoltaicos será necesaria para obtener una cantidad de energía determinada y viceversa. Tamaño (Superficie que ocupan): Este factor es muy poco determinante y solo será considerado en el caso de que exista una limitante muy fuerte en cuanto al espacio físico disponible para instalar los paneles fotovoltaicos. Voltaje de Trabajo: Como se conocen ahora el valor de la energía que debe ser generada como la aportada por el panel, la relación entre ambos valores entrega una indicación del número de paneles requeridos en el sistema. El número exacto de ellos, en algunos diseños, estará determinado por el voltaje de trabajo y la corriente máxima de carga. Estos dos factores pueden dictar una combinación serie o serieparalelo de los paneles, determinando eventualmente el número a usarse. Cantidad de Módulos Fotovoltaicos. Con el valor de la energía que debe ser generada y con la aportada por el panel, se tiene una relación entre ambos valores, la que entrega una indicación del número de paneles requeridos en el sistema. El otro factor que determina el número de módulos es la diferencia entre los voltajes de los artefactos que consumen la energía y el sistema de generación. Para alcanzar los requerimientos del sistema tanto en carga como en voltaje, se debe tener en cuenta que las conexiones en serie suman las tensiones (voltajes) y las conexiones en paralelo suman las cargas. INSTALACIÓN DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS. Orientación. Un panel solar genera electricidad incluso en ausencia de luz solar directa. Por ende, un sistema solar generará energía aun con cielo nublado. Sin embargo, las condiciones óptimas de operación implican: la presencia de luz solar plena y un panel orientado lo mejor posible hacia el sol, con el fin de aprovechar al máximo la luz solar directa. En el Hemisferio Sur, el panel deberá orientarse hacia el norte y en el Hemisferio Norte, hacia el sur. Los módulos deberán estar orientados de 24 manera tal que el frente de los mismos mire al Norte geográfico en el Hemisferio Sur del planeta y en el Hemisferio Norte, hacia el Sur geográfico. Cuando el sol alcanza el punto más alto en su trayectoria en el firmamento (mediodía solar) su posición coincide con el Norte geográfico. Un método simple para determinar el norte (o sur) geográfico es el siguiente: plante una estaca en el suelo y observe la longitud de su sombra. Cuando ésta se reduce a un mínimo, se ha alcanzado el mediodía solar para esa estación del año. La dirección de la sombra y la posición del sol le indican la dirección del norte (o sur) geográfico. Este método puede ser perfeccionado si el diario local u otro medio publican el tiempo de salida y puesta del sol. La mitad de esa diferencia horaria, sumada a la hora de salida, proporciona la hora para el mediodía solar. En ese momento puede observar la dirección de la sombra y la posición del sol. Por lo tanto, en la práctica, los paneles solares deberán ser colocados en ángulo con el plano horizontal (inclinados). Angulo de inclinación. El sol se desplaza en el cielo de este a oeste. Los paneles solares alcanzan su máxima efectividad cuando están orientados hacia el sol, en un ángulo perpendicular con éste a mediodía. Por lo general, los paneles solares son colocados sobre un techo o una estructura y tienen una posición fija; no pueden seguir la trayectoria del sol en el cielo. Por lo tanto, no estarán orientados hacia el astro con un ángulo óptimo (90 grados) durante toda la jornada. El ángulo entre el plano horizontal y el panel solar se denomina ángulo de inclinación. Debido al movimiento terrestre alrededor del sol, existen también variaciones estacionales. Idealmente, en verano los paneles solares deberían ser colocados en posición ligeramente más horizontal para aprovechar al máximo la luz solar. Sin embargo, los mismos paneles no estarán, entonces, en posición óptima para el sol del invierno. Con el propósito de alcanzar un mejor rendimiento anual promedio, los paneles solares deberán ser instalados en un ángulo fijo, determinado en algún punto entre los ángulos óptimos para el verano y para el invierno. Cada latitud presenta un ángulo de inclinación óptimo. Los paneles deben colocarse en posición horizontal únicamente en zonas cercanas al ecuador. Ahora bien, los distribuidores de paneles solares recomiendan que se utilice un ángulo de inclinación igual a la latitud más 15°. Esto se debe principalmente a que con esta inclinación, el panel solar tendrá un mejor rendimiento anual, la orientación del sol varía según la hora del día y también de acuerdo al día del año. 25 SISTEMA AC (INVERSOR). El panel solar produce energía en forma de corriente directa (12 voltios) que se almacena en la batería pasando a través del regulador cuya función es proteger la batería de la sobrecarga o de la sobre descarga. Las cargas eléctricas como lámparas, radio, o televisión se conectan a la batería a través del regulador (Sistema DC) o a través de un inversor (Sistema AC) que convierte la corriente almacenada en la batería en corriente alterna y permite el uso de las lámparas eficientes y otros electrodomésticos a 120 voltios AC. Figura 5. Sistema del inversor panel solar. El sistema lo que hace es pasar watt= amperios x voltios. Ejemplo, piensa en esto una tv trabaja con 120 voltios y como mínimo 0.916 amperios, entonces 120 V x 0.916 A = 109.92 watt de consumo de energía 26 AGUAS RECICLADAS. En estas circunstancias, la idea de la reutilización convierte el gasto en tratamientos en una inversión productiva, pues en lugar de desechar el agua residual, es posible retornar al proceso productivo una fracción del agua residual tratada para que sea acondicionada apropiadamente para su reutilización. Este hecho tiene un efecto benéfico desde el punto de vista del consumo de agua potable. Al rehusar agua residual tratada, las necesidades de entrada al proceso disminuyen y, por lo tanto, también la cantidad descargada. Esto trae consigo una cadena de ahorros derivados de varios hechos: 1. Por estar consumiendo menos agua del servicio municipal. 2. Por disminuir el gasto de tratamiento (generalmente proporcional al volumen de agua). 3. Por la disminución en el tamaño del tratamiento final para descarga y, por último, por la posibilidad de utilizar el agua para otros usos. DISEÑO DEL SISTEMA DE AGUAS GRISES. En general, las aguas de desecho contienen menos del 0.1% de materias sólidas. El sistema de reutilización de aguas grises consiste en conducir por medio de la red de drenaje con tubería de PVC, las aguas residuales procedentes de cocina con restos de alimentos y materia orgánica hacia una trampa de grasa la cual elimina las grasas, que tienden a formar nata, tapar las rejillas fijas, obstruir los filtros. El periodo de detención varía de 5 a 15 minutos. Unos dos miligramos por litro de cloro aumenta la eficacia de la eliminación de la grasa. A la vez la tubería procedente de lavadoras, bañeras y duchas con detergentes y la que viene de la trampa de grasa es conducida hacia el depósito acumulador donde servirá para abastecer los tanques de los tanques de suministro de agua. En la red de tuberías de drenaje, no se deben usar tuberías de un diámetro menor de 4 pulgadas debido a la posibilidad de obstrucciones. La colocación de los tubos se hace, por lo general, con cierta pendiente la cual no debe de ser menor al 2%. Las juntas entre los tramos de las tuberías se realizan, por lo general, con una junta plástica o empaque. Se prefieren tipos de juntas elásticas a las rígidas, pues estas últimas pueden agrietarse a causa del asentamiento diferencial. Por lo tanto, la trampa de grasa tendrá unas dimensiones internas de 0.35 x 0.70 mts, y será una estructura de concreto reforzado con el ingreso y egreso de tubería que se indica en los planos. 27 Figura 6. Detalle de trampa de grasa. Las trampas de grasa necesitan mantenerse con cantidades bajas de grasa para evitar taponar el sistema de desagüe o las líneas de drenaje. Para mantener el sistema funcionando sin problemas, hace falta limpiar las tuberías y la trampa periódicamente. Para evitar esas operaciones tan costosas, el sistema debe ser tratado biológicamente dos veces por mes para mantener las líneas de drenaje limpias y la grasa al mínimo en la trampa. Las bacterias introducidas en la trampa de grasa se alimentan de la grasa y el sedimento que se encuentra en la trampa, inhibiendo la acumulación de los mismos dándose cuenta que el tratamiento mantiene el sistema con la cantidad de sedimento muy bajo y evitando que la trampa de grasa se tapone o mantenga un mal olor. 28 DISEÑO DEL DEPÓSITO ACUMULADOR. Para la propuesta del diseño del Depósito Acumulador se debe de tomar en cuenta el volumen necesario para el abastecimiento de los tanques. Figura 7. Detalle de tanque acumulador. El depósito acumulador debe de tener las siguientes características: • Totalmente impermeable. 29 • Sistema de evacuación de sobrellenado mediante un aliviadero lateral en la parte superior del depósito, conectado al tubería de drenaje general. • Cerrado herméticamente para evitar el ingreso del sol, ya que puede acelerar la putrefacción de los sólidos encontrados ahí. • El depósito acumulador será un sistema en paralelo, es decir, se colocarán dos cámaras seguidas, para permitir tener una mejor operación y mantenimiento • El depósito será ubicado en algún lugar de la vivienda que sirva como bodega y no sea muy transitado por las personas y donde se tenga la precaución de no ser manipulando por menores o personas que desconozcan el contenido del mismo. • En la salida de la tubería que alimenta el Depósito se debe colocar una malla fina, que sirva como tamiz y no permita el ingreso de sólidos. • Resistente a las presiones del suelo y a sismos. Mantenimiento. Para el mantenimiento del depósito acumulador se deben de tomar en cuenta las siguientes características: • Se recomienda realizar una limpieza cada seis meses del depósito mediante el acceso en su parte superior. Para el mantenimiento es necesario realizar el vaciado de una de las cámaras mientras la otra está en servicio. • Es necesario realizar la limpieza de la malla del depósito, por lo menos cada mes, para evitar la descomposición de los sólidos. • Realizar la limpieza cada seis meses del filtro que va incorporado en la bomba sumergible. • Para mayor seguridad, debido a que el agua del depósito está contaminada se puede aplicar hipoclorito de calcio. Para que el cloro surta efecto es necesario qua haya un período de contacto de por lo menos 20 minutos, contados a partir del momento de la aplicación. Por ejemplo, para los 112.5 litros encontrados en un depósito acumulador la dosificación sería de 428.57 gramos para una concentración del 70% y con ello preparar una solución al 0.1%. Por lo tanto se debe de tener mucha precaución a la hora de manipular o dar algún tipo de mantenimiento al depósito, debido al tipo de contenido que se encuentra en el mismo. Para la instalación del sistema de reutilización de aguas se puede incorporar la nueva tubería desde el depósito acumulador, teniendo el control de abastecimiento con una válvula de paso y válvula de cheque, dejando conectado la nueva tubería a la red principal para cuando el agua del depósito acumulador no sea lo suficiente para abastecer los tanques, realizando esto con una válvula de paso y válvula de cheque conectada en ese tramo. La salida del agua de la bañera, lavamanos y lavadora actualmente conectada al red general se corrige y se desvía al depósito acumulador, donde se intercepta con la tubería que viene de la trampa de grasa donde está conectada la tubería del lavatrastos. A la vez las tuberías de las bajas de aguas pluviales pueden 30 desviarse y conectarse al depósito, para ayudar a bajar los contaminantes de las aguas grises. Entre las posibles incompatibilidades del sistema de reutilización contra el sistema antiguo se basan en: Se debe de tener mayor cuidado con la manipulación del agua del tanque del inodoro, ya que contiene agua residual contaminada. • La posibilidad de poder instalar la canalización para las aguas grises. En este sentido se aconseja la evaluación de la instalación como cualquier otro tipo de instalación de fontanería. En caso de una reforma es necesario plantearse las posibilidades que ofrece la vivienda para instalar los sistemas de reutilización de aguas grises. • Es importante hacer notar que la calidad de servicio al utilizar agua residual se ve afectada ya que es agua contaminada y se debe de tener un mayor cuidado en su manipulación y mantenimiento. Sin embargo es importante notar que se tendría un ahorro en el agua potable y con un buen manejo se podría utilizar agua de menor calidad en actividades que así lo permitan y con ello liberar la de alta calidad sólo para consumo humano u otros usos especializados. RECICLADO DEL AGUA DE LLUVIA. Figura 8. Sistema de aguas lluvias. La recuperación de aguas pluviales consiste en utilizar las cubiertas de los edificios como captadores. De este modo, el agua se recoge mediante canalones o sumideros en un tejado o una terraza, se conduce a través de bajantes, para almacenarse finalmente en un depósito. Este depósito puede estar enterrado en el jardín o situado en superficie, en un espacio de la vivienda. A la entrada del depósito se coloca un filtro para evitar 31 suciedades y elementos no deseados, como hojas. Este depósito se dimensiona en función de los usos acordados, la superficie de la cubierta y la pluviometría de la zona; posteriormente el agua disponible se impulsa y distribuye a través de un circuito hidráulico independiente de la red de agua potable. Los consumos admisibles o autorizados con agua pluvial son usos donde no se requiere agua potable: lavadora, inodoros, lavado de suelos, riego, etc. Lo más práctico, fácil y barato es derivarlo para riego; se necesita un mínimo de infraestructura y se consigue, así mismo, un buen ahorro. La recuperación de agua de lluvia no es una idea nueva, sólo que lo que se hace En la actualidad es usar un sistema de almacenamiento y depuración del agua de lluvia recogida. Se puede instalar un sistema completo, o adaptar las instalaciones existentes agregando un depurador a la cisterna de almacenamiento. El agua depurada se puede utilizar para regar, lavar el coche, para el baño o la lavadora de ropa. También podemos contribuir a la reducción del uso de agua potable instalando duchas, grifos y cisternas que controlan y reducen el flujo de agua. VENTAJAS DE LA CAPTACIÓN DE AGUAS PLUVIALES. Figura 9. Almacenaje de aguas lluvias. Ahorro evidente y creciente en la factura del agua. Puede suponer un 80% del total de agua demandada del edificio. Uso de un recurso gratuito y ecológico. Contribución a la sostenibilidad y protección del medio ambiente Disponer de agua en periodos cada vez más frecuentes de restricciones y prohibiciones Una buena instalación de recogida de agua es sencilla y, por tanto, existen riesgos mínimos de averías y apenas requiere de mantenimiento. 32 Aprovechar el agua pluvial tiene otras ventajas a la hora de lavar nuestra ropa; al ser el agua de lluvia mucho más blanda que la del grifo, estamos ahorrando hasta un 50% de detergente. Mitigan el efecto erosionador de las avenidas de aguas por la actividad pluvial Para mantener la calidad del agua de lluvia, es recomendable aislarla en tanques enterrados bajo tierra. Depósitos aguas pluviales grandes dimensiones Estos depósitos están diseñados para la recogida del agua pluvial. Para su instalación, habrá que conducir las canalizaciones de los tejados y terrazas hacia el depósito. El equipo lleva una tubería de entrada anti-turbulencias y un filtro externo autolimpiable tipo arqueta para evitar la entrada de partículas superiores a 0,55mm. Gracias al filtro externo se consigue aprovechar el máximo volumen útil del equipo y se impide la entrada en el depósito de hojas, arenas, excrementos de aves,... La entrada de este tipo de partículas dentro de un depósito con agua estancada, provoca problemas de olores y descomposición de la materia orgánica. Documento no contractual. Los datos y valores se dan como indicación y pueden ser modificados sin previo aviso. Figura 10.Detalle filtro. 33 Figura 11. Tanque de almacenamiento. - 2-3 bocas de hombre. - 1 entrada pvc 100. - 1 rebosadero pvc 100. - 1 salida para aspiración de bomba de 2”. - Filtro exterior autolimpiable tipo cesta 0.55 mm. - Entrada anti-turbulencias y anti-roedores. 34 CRONOGRAMA. Actividades. Lunes. Martes Miércoles Jueves Viernes Sábado Domingo Recopilación de información. Sep. – 01 2011. X X X Análisis de información. X X X X X X Sep. – 10 2011. Retomacion de investigación. Nov. – 09 – 2011. Análisis de información. Nov. – 16 – 2011. 35 X X Diseño de estación. Nov. – 21 – 2011 X X Análisis de los sistemas. X X Nov. – 23 – 2011 Investigación de precios. Nov. – 24 – 2011 X 36 GLOSARIO. Sostenibilidad: Capacidad de mantenimiento sin ayuda ni apoyo de otros organismos. Sostenibilidad económica: se da cuando la actividad que se mueve hacia la sostenibilidad ambiental y social es financieramente posible y rentable. Sostenibilidad social: basada en el mantenimiento de la cohesión social y de su habilidad para trabajar en la persecución de objetivos comunes. Sostenibilidad ambiental: compatibilidad entre la actividad considerada y la preservación de la biodiversidad y de los ecosistemas, evitando la degradación de las funciones fuente y sumidero. Incluye un análisis de los impactos derivados de la actividad considerada en términos de flujos, consumo de recursos difícil o lentamente renovables, así como en términos de generación de residuos y emisiones. Silicio: Es un elemento químico metaloide, número atómico 14 y situado en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos formando parte de la familia de los carbonoideos de símbolo Si. Depósito: lugar en el cual se guarda alguna cosa o se mantiene, generalmente un fluido. Sedimentos que quedan por el paso del agua u otra consecuencia. 37 BIBLIOGRAFIA. http://www.eumed.net/libros/2009a/501/Analisis%20de%20sostenibilidad%2 0ambiental.htm http://ideasparaconstruir.com/n/1356/sistemas-de-reciclado-de-aguas.html http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico http://www.soliclima.es/aplicaciones/4-tratamiento-de-aguas/97-captacionde-aguas-pluviales.html http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm Soluciones Energéticas, S.A. http://www.solener.com http://www.soliclima.es/aplicaciones/4-tratamiento-de-aguas/97-captacionde-aguas-pluviales.html http://www.solumedsl.com/pdf/depositos%20aguas%20pluviales%20grande s%20dimensiones.pdf http://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080119173453AAc1nT e 38
