UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA Facultad de Arquitectura, Ingenierías Civil y del Ambiente Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental Asignatura: Energías Renovables - prácticas Docente: M.Sc. Ing. Andrea Chanove Manrique DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ENERGÍAS RENOVABLES Fase III Integrantes: Carrasco Brito Guillermo Gutiérrez Ataucuri José Luis Vizcardo Galdos Linda Vanessa Lara de Larrea Carlos Jaser AREQUIPA 2019 PRÁCTICA Nº 7 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE ENERGÍAS RENOVABLES I. COMPETENCIAS ● Diseña y construye un sistema funcional, donde emplea los diferentes tipos de energías renovables aprendidos durante el curso. II. INTRODUCCIÓN Las energías renovables crecieron a una tasa promedio anual de 2.9% de 1990 a 2010, y contribuyeron con 19.4% de la generación de energía eléctrica mundial7. El proceso de transición hacia una mayor participación de las energías renovables en el mundo ha sido impulsado por una serie de factores, entre los cuales se destacan las preocupaciones de soberanía y de seguridad en el abasto de energía en países importadores; la alta volatilidad de los precios de los combustibles de origen fósil; las preocupaciones por los impactos ambientales de los sistemas energéticos, en particular el cambio climático; y la caída en precio de las tecnologías renovables como resultado del desarrollo tecnológico. Desde hace dos décadas, este proceso de transición se ha acelerado en varios países del mundo, debido a importantes inversiones en la explotación y uso de las energías renovables, como el caso de Alemania, España, Dinamarca, Estados Unidos, Brasil, India y China. Entre 2006 y 2011, la capacidad de producción global de energías renovables, incluyendo grandes hidroeléctricas, creció a tasas promedio anuales muy altas (entre 17% y 58%). La energía solar fotovoltaica registró el crecimiento más acelerado, con un aumento en la capacidad instalada de 58% anual promedio durante el período citado. Por primera vez, en 2011 la energía solar fotovoltaica representó la mayor cantidad de nueva capacidad eléctrica instalada en la Unión Europea, más que ninguna otra tecnología. Por otra parte, la energía solar termoeléctrica aumentó casi 37%, considerando que existía una pequeña cantidad de plantas instaladas al inicio del período. La producción de biocombustibles ha sido variada, con una expansión del biodiésel en 2011, mientras que el etanol se mantiene estable, ligeramente por debajo en comparación con 2010; la energía eólica creció a un ritmo de 27% anual (véase Gráfica 1). Otras tecnologías, incluyendo la energía hidroeléctrica y la geotermia, han crecido a tasas más moderadas, que van de 2% a 3%, haciendo comparable su comportamiento con las tasas de crecimiento global de combustibles fósiles de 1% a 4%11. Entre 2006 y 2011, la capacidad de producción global de energías renovables, incluyendo grandes hidroeléctricas, creció a tasas promedio anuales muy altas (entre 17% y 58%). La energía solar fotovoltaica registró el crecimiento más acelerado, con un aumento en la capacidad instalada de 58% anual promedio durante el período citado. Por primera vez, en 2011 la energía solar fotovoltaica representó la mayor cantidad de nueva capacidad eléctrica instalada en la Unión Europea, más que ninguna otra tecnología. Por otra parte, la energía solar termoeléctrica aumentó casi 37%, considerando que existía una pequeña cantidad de plantas instaladas al inicio del período. La producción de biocombustibles ha sido variada, con una expansión del biodiésel en 2011, mientras que el etanol se mantiene estable, ligeramente por debajo en comparación con 2010; la energía eólica creció a un ritmo de 27% anual (véase Gráfica 1). Otras tecnologías, incluyendo la energía hidroeléctrica y la geotermia, han crecido a tasas más moderadas, que van de 2% a 3%, haciendo comparable su comportamiento con las tasas de crecimiento global de combustibles fósiles de 1% a 4%. Gráfica 1.- Tasa de crecimiento de la capacidad global de producción de energía renovable, 2006-2011 (%). III. MATERIALES MÉTODOS 3.1.- Materiales ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● cartón cartulina papel de colores tapas de botellas de plástico tijeras silicona mini-led de 300V palillos de madera lápices motor de 12 voltios a DC corriente contínua cautín con estaño secadora de pelo de 3.2.- Métodos Investigue acerca de alguna provincia, distrito que no cuente con suministro eléctrico de forma continua, luego averigue cuales son las características climatológicas, geográficas, demográficas, recursos naturales, etc con los que cuenta el sitio elegido. A partir de ello, proponga un sistema energético de energías renovables (una o más tipos de energías) para suministrar energía a eso poblado. Finalmente plasme el diseño planteado anteriormente en una maqueta hacienda uso de diferentes materiales, de preferencia trate de utilizar materiales reciclados. La maqueta tiene que ser de carácter semi-funcional. Para este trabajo se eligió: - Ubicación: Puerto de Veracruz, Veracruz, México. Figura 1: Zona de estudio (Fuente: Delimitación geográfica en Google Maps.) - Carretera: Camino Escénico a San Juan de Ulúa. Figura 2: Zona turística (Fuente: Ubicación y carretera de San Juan de Ulúa, Veracruz, México.en Google Maps). - Distancia: 1,80 km Características climatológicas: Figura 3: Resumen de clima Temperatura: La temporada calurosa dura 5,0 meses, del 24 de abril al 23 de septiembre, y la temperatura máxima promedio diaria es más de 31 °C. El día más caluroso del año es el 26 de mayo, con una temperatura máxima promedio de 32 °C y una temperatura mínima promedio de 25 °C. La temporada fresca dura 2,4 meses, del 10 de diciembre al 22 de febrero, y la temperatura máxima promedio diaria es menos de 27 °C. El día más frío del año es el 18 de enero, con una temperatura mínima promedio de 18 °C y máxima promedio de 26 °C. Figura 4: Temperaturas. Nubes: En Veracruz, el promedio del porcentaje del cielo cubierto con nubes varían extremadamente en el transcurso del año. La parte más despejada del año en Veracruz comienza aproximadamente el 26 de octubre; dura 7,1 meses y se termina aproximadamente el 29 de mayo. El 11 de marzo, el día más despejado del año, el cielo está despejado, mayormente despejado o parcialmente nublado el 72 % del tiempo y nublado o mayormente nublado el 28 % del tiempo. La parte más nublada del año comienza aproximadamente el 29 de mayo; dura 4,9 meses y se termina aproximadamente el 26 de octubre. El 15 de septiembre, el día más nublado del año, el cielo está nublado o mayormente nublado el 85 % del tiempo y despejado, mayormente despejado o parcialmente nublado el 16 % del tiempo. Figura 5: Nubosidad de la zona Precipitación: Un día mojado es un día con por lo menos 1 milímetro de líquido o precipitación equivalente a líquido. La probabilidad de días mojados en Veracruz varía muy considerablemente durante el año. La temporada más mojada dura 4,5 meses, de 1 de junio a 17 de octubre, con una probabilidad de más del 44 % de que cierto día será un día mojado. La probabilidad máxima de un día mojado es del 78 % el 2 de septiembre. La temporada más seca dura 7,5 meses, del 17 de octubre al 1 de junio. La probabilidad mínima de un día mojado es del 9 % el 21 de febrero. Entre los días mojados, distinguimos entre los que tienen solamente lluvia, solamente nieve o una combinación de las dos. En base a esta categorización, el tipo más común de precipitación durante el año es solo lluvia, con una probabilidad máxima del 78 % el 2 de septiembre. Figura 6: Precipitación de la zona. Lluvia: Para mostrar la variación durante un mes y no solamente los totales mensuales, mostramos la precipitación de lluvia acumulada durante un período móvil de 31 días centrado alrededor de cada día del año. Veracruz tiene una variación extrema de lluvia mensual por estación. Llueve durante el año en Veracruz. La mayoría de la lluvia cae durante los 31 días centrados alrededor del 6 de septiembre, con una acumulación total promedio de 270 milímetros. La fecha aproximada con la menor cantidad de lluvia es el 7 de marzo, con una acumulación total promedio de 13 milímetros. Figura 7: Promedio mensual de precipitación. Viento: Esta sección trata sobre el vector de viento promedio por hora del área ancha (velocidad y dirección) a 10 metros sobre el suelo. El viento de cierta ubicación depende en gran medida de la topografía local y de otros factores; y la velocidad instantánea y dirección del viento varían más ampliamente que los promedios por hora. La velocidad promedio del viento por hora en Veracruz tiene variaciones estacionales considerables en el transcurso del año. La parte más ventosa del año dura 8,2 meses, del 17 de septiembre al 24 de mayo, con velocidades promedio del viento de más de 12,6 kilómetros por hora. El día más ventoso del año en el 6 de noviembre, con una velocidad promedio del viento de 15,9 kilómetros por hora. El tiempo más calmado del año dura 3,8 meses, del 24 de mayo al 17 de septiembre. El día más calmado del año es el 25 de julio, con una velocidad promedio del viento de 9,3 kilómetros por hora. Figura 8: Velocidad promedio del viento Demografía: Veracruz es un municipio y la ciudad más poblada del estado de Veracruz de Ignacio de la Llave. Con una población de 552,156 habitantes. Geografía: ● Altitud: 1 msnm ● Latitud: 19º 12' 30" N ● Longitud: 096º 07' 59" O Está ubicada a 90 km de distancia de la capital del estado Xalapa y a 400 km de distancia de la Ciudad de México. Colinda al norte con el municipio de La Antigua y el golfo de México; al sur con los municipios de Medellín y Boca del Río; al este con el golfo de México y al oeste con los municipios de Manlio Fabio Altamirano y Paso de Ovejas. Su clima es tropical cálido, con una temperatura media anual de 25.3 °C y con una precipitación media anual de 1500 mm. En el Puerto Veracruz se usará el recurso eólico ( aerogeneradores) para iluminaria pública y zona turística del lugar, producido por la brisa marina y movimientos automovilísticos. La velocidad máxima de autos que circulan por la zona es : 80 km/h.; esta circulación de autos ayudan al movimiento de la turbina del aerogenerador. La velocidad mínima para el funcionamiento de un aerogenerador es de 14,4 km/h. Propuesta de instalación del sistema Figura 9: Zona de instalación La propuesta del sistema se basa en construir turbinas eólicas a lo largo del camellón de la carretera de doble sentido, cerca de la costa, esto para que el movimiento (y corriente de aire) generada por los carros, producirá el movimiento de las turbinas que con el generador producirán energía que será utilizada para el lugar turístico “San Juan de Ulúa”, así como la zona portuaria. El interés que genera el colocar turbinas eólicas en este lugar se basa en dos cuestiones: la primero la cercanía al mar, debido a las corrientes que se generan cerca de la costa, podrían ser aprovechadas sobre todo en la noche, cuando no hay movimiento de autos. Además, sería de gran interés que la zona turística “San Juan de Ulúa” funcionará con energías renovables, de igual forma la zona portuaria (lugar donde se almacena la mercancía descargada de los barcos) se vería beneficiada. La Propuesta sería de la siguiente manera: Figura 10: Sistema de conexión. En la figura 10, se muestra la propuesta, en la cual se pretende cubrir 1.8km de la carretera. aquí se pretende colocar cuatro generadores eólicos, ya que debe haber una distancia entre cada uno de 600 metros. Los aerogeneradores se conectan a un sistema eléctrico con el fin de abastecer el alumbrado público en la zona portuaria, así mismo, la zona turística “San Juan de Ullúa”. Dicho sistema está compuesto por baterías donde se almacena la energía producida, además de un control de carga y un inversor, los cuales regulan la corriente dirigida al alumbrado en la zona portuaria. METODOLOGÍA: -Para la elaboración de la maqueta se eligieron hacer aerogeneradores a pequeña escala, a base de materiales reciclados, siendo 3 los totales pero sólo uno de ellos el funcional. Para la elaboración de los generadores y las hélices, se utilizaron cartón de cajas sin usar, palillos de madera, silicona, reglas, papel de colores, etc. El aerogenerador funcional está ubicado en el centro de la maqueta para tener una mejor visibilidad de su funcionamiento por adelante, y atrás que es donde se ve la conexión del motor, y los cables hacia el mini-led de 3,3V. - En el proceso de soldado entre el mini-led y los cables eléctricos se utiliza cautin y estaño, luego se realiza las conexiones e instalaciones del aerogenerador y el mini-led que se encuentra en las viviendas de la zona turística donde llegará la energía eléctrica, también debe proporcionar energía a la luminaria pública en la maqueta representada. Figura 11: Se realiza el diseño de los aerogeneradores. Figura 12: Modelo del aerogenerador funcional. Instalando el sistema. Figura 13 : Edificios hechos de cartón reciclado para la zona urbana de la maqueta. Figura 14: Diseño de las hélices para el aerogenerador funcional. Figura 15: Ensamblado de los aerogeneradores Figura 16: Conexiones eléctricas entre el aerogenerador y el alumbrado. Figura 17: Edificios y aerogeneradores con conexión eléctrica lista en la maqueta. DISCUSIÓN -Debido al tamaño, forma y material de las palas o hélices, se puede estimar la eficiencia del aerogenerador, ya que de éstas características físicas deben ser las correctas para su diseño y funcionamiento. así que la forma de las curvas o hendiduras que puedan tener la pala, puede afectar en la captación del viento. Nuestras hélices fueron hechas con cartón (de regular grosor) y moldeadas varias veces según los cambios que se iban haciendo. Por esta razón, y por el tamaño es que la eficiencia no fue tan alta como la esperada debido a que se necesitan mayor superficie de contacto y mayor velocidad del viento, pese a que sí se dió el funcionamiento que logró prender el foco. -A una velocidad constante o bien a velocidad variable, donde la velocidad del rotor varía en función de la velocidad del viento para alcanzar una mayor eficiencia (ACCIONA, España, 2018) así que la fuente de aire también varía la eficiencia del sistema. Siendo una secadora con potencia de xxx la utilizada para la simulación de la energía cinética del viento. RESULTADOS: -El resultado final fue óptimo después de cambiar ligeramente la forma de las hélices en una segunda vez pues aumentó la superficie de contacto y la velocidad del viento (proveniente de la secadora) por lo que se pudo prender el mini-led. Sin embargo es necesario que el dinamo (motor) gire muy rápido para que se pueda generar electricidad. IX. BIBLIOGRAFÍA 1. International Energy Agency . 2012. World Energy Balance 2. Climatología del Puerto Veracruz. BARRADAS ALFREDO RUIZ ADALBERTO TEJEDA MARTÍNEZ SAÚL MIRANDA ALONSO · RODRIGO HUMBERTO FLORES ZAMUDIO https://cdigital.uv.mx/bitstream/handle/123456789/9649/03CLIMATOLOGIA.pdf? sequence=1&isAllowed=y
