FACTIBILIDAD DE APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ MEDIANTE DISPOSITIVO DE FLOTACIÓN EN LAS COSTAS DE LA CIUDAD DE ANTOFAGASTA

Revista de Ingeniería Innova. Vol. 5 (2013), pp. 75-96
© 2013 Ingeniería Innova
FACTIBILIDAD DE APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA
UNDIMOTRIZ MEDIANTE DISPOSITIVO DE FLOTACIÓN EN LAS
COSTAS DE LA CIUDAD DE ANTOFAGASTA
F. Franco1,3, C. Vera2, I. Salazar2
1
Image Project. Costanera 325, Huasco, Chile.
Department of Civil Engineering, Universidad Católica del Norte, Avda. Angamos 0610, Antofagasta, Chile
3
[email protected]
Received 30 April 2013, Accepted 31 May 2011
2
RESUMEN
La presente investigación analiza la factibilidad técnica de aprovechar la energía concentrada en las
olas para satisfacer las necesidades puntuales de uso energético. Se realizó un modelo experimental
a base de un flotador y bomba tipo pistón dentro de un canal artificial provisto de un generador de
oleaje con la finalidad de visualizar las principales variables que afectan al dispositivo convertidor
de energía y estimar la energía eléctrica generada por un prototipo a escala real en las costas de la
ciudad de Antofagasta. A través de una interpolación de los resultados del modelo de laboratorio se
realiza una estimación de la potencia entregada por un convertidor a escala real. Las variables
consideradas son la presión y caudal entregado asociado a cierto factor de subida y dimensiones del
pistón. Los resultados de la experimentación entregan parámetros de comparación para estimar el
convertidor final. Esta experimentación muestra que el dimensionamiento depende del clima del
oleaje en cuanto a su altura H y periodo T, y que restringen el diseño del mismo para sus
dimensiones máximas. A través de estos resultados se determinan las dimensiones de un dispositivo
establecido en las costas de Antofagasta, cuyas dimensiones son dependientes de la profundidad.
Palabras claves: Energía undimotriz, energía en olas, oscilador de ola.
ABSTRACT
In this paper the technical feasibility of using wave energy to satisfy specific energy demand is
investigated. A model based on a floater and a piston pump subjected to extensive laboratory tests
in an artificial channel has been proposed. The channel has a wave generator to simulate and
observe the main variables that affect the energy converter device and therefore estimate the electric
energy generated by a real scale prototype in the Antofagasta coast. By an interpolation of
laboratory results using the model, an estimate of the power transferred by the real scale converter
can be done. The variables considered for the estimate are the pressure and the supplied flow, which
are a function of certain elevating factor and the piston dimensions. The results of this experiment
will give comparative parameters to estimate the characteristic of the final converter. So far it is
showed that restrictions in the size are based on the climate that affect waves in terms of its height
(H) and period (T). This also restricts the maximum size of the design. With these results the
dimensions of the device designed for the Antofagasta coastal area characteristic, depending on its
depth, are determined.
Keywords: Ocean wave power, wave energy, wave oscillator.
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Teoría del Oleaje
Las olas responden a un movimiento ondulatorio el cual se puede modelar directamente ocupando
simplificaciones de su complejo movimiento. La teoría más usada para este caso es la Teoría Lineal
del Oleaje, que desprecia la contribución de los componentes no lineales de la solución (Fernández,
2002). Esta teoría es válida en muchos casos, transformándose en la formulación más utilizada. La
oscilación de la superficie libre, o desplazamiento vertical de la ola, en un sistema de coordenadas
(x,y), obedece a la ecuación:
y=
H
2πx 2πt
cos(
−
),
2
λ
T
(1)
cuyo esquema y parámetros que intervienen se representan en la Figura 1.
Figura 1. Representación de Ola lineal (Fernández, 2002).
1.1 Energía de la Ola
En una ola cada partícula está dotada de energía cinética y de energía potencial; en las olas
regulares, los valores de la longitud de onda y del período T, permanecen constantes.
La energía E [Nm] de una onda regular es la suma de las componentes de la energía potencial Ep y
la cinética Ec, como se indica en ecuación (2):
E = EP + EC =
ρgλbH 2
,
8
(2)
donde ρ [kg/m3] es la densidad del agua en, H [m] es la altura de la ola y b [m] es la anchura de la
cresta o longitud del frente de ondas.
1.2 Potencia de la Ola
El flujo de energía del oleaje se denomina Potencia, este se define como la tasa media de
transferencia de energía por unidad de ancho de frente de ola. La potencia NL [kW/m] del frente de
onda por unidad de longitud, se define como:
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NL =
ρgH 2 c g
8
,
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(3)
donde cg [m/s] es la velocidad del grupo de olas asociada al avance de la energía, que es diferente
de la velocidad c de la ola, de tal forma que si H se mide en metros, T en segundos y
ρ = 1025 kg/m3, resulta:
N L = 0.9812H 2 T ,
(4)
La energía de las olas varía con la latitud y los climas. En algunas zonas del Atlántico y en el norte
del Japón las olas pueden alcanzar una densidad de energía del orden de 10 [MW] por kilometro de
frente de onda (Figura 2).
Figura 2. Distribución mundial media anual de la energía de las olas en mar abierto en kW/m
frente de ola (Fernández, 2002).
2
Desarrollo de Técnicas de Aprovechamiento de la Energía de las Olas
SHOA (2012), Fernández (2008), García & De la Villa (2007), Mueller et al. (2007) indican que las
tecnologías con mayor desarrollo en la actualidad sobre el aprovechamiento de la energía de las olas
son:
• Pelamis. Sistema hidráulico.
• Oscilador de la ola de Arquímedes. Generación lineal con arrastre directo.
• Columna de agua oscilante u OWC. Sistema con turbinas de aire.
• Dispositivos oscilantes
2.1 Pelamis. Sistema Hidráulico.
Este sistema es también conocido como ‘serpiente marina’. Ha sido desarrollado por la empresa
escocesa Ocean Power Delivery Ltd (OPD), líder mundial del mercado de olas a partir de 1998. El
dispositivo Pelamis es el convertidor que actualmente se comercializa.
Cada unidad de Pelamis tiene una potencia nominal de 750 [kW] y ocupa una superficie de 490 m2
(dimensiones similares a las de un vagón de tren). La relación potencia/superficie ocupada es
1530,61 [W/m2]. A modo de referencia un parque de 30 [MW] de potencia nominal ocupa 1 [km2]
(Figura 3).
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Figura 3. El dispositivo Pelamis (Pelamis, 2012)
2.2 Oscilador de la Ola de Arquímedes. Generación lineal con arrastre directo.
La idea original del Oscilador de la ola de Arquímedes data de 1993 y pertenece a Hans Van
Breugel y Fred Gardner. Este sistema es un convertidor destinado a la obtención de energía eléctrica
aprovechando los movimientos de oscilación vertical de las partes móviles del sistema. El origen de
este movimiento es la presión ejercida por el oleaje, que actúa directamente sobre el dispositivo y lo
acciona. Su estructura permanece completamente sumergida entre 40 [m] y 100 [m] bajo el agua.
Este es un dispositivo de mayor costo comparado con otros sistemas de conversión, pero presenta
unas ventajas inexpugnables por estar situado bajo el mar. Es el único dispositivo que trabaja
completamente bajo el agua y además cambia de volumen (Figura 4).
Figura 4. Sistema AWS sumergido y apoyado sobre el lecho marino (Legaz, 2006)
2.3 Columna de agua oscilante (OWC). Sistemas con turbinas de Aire.
La columna de agua oscilante u OWC (Oscillating Water Column) aprovecha el recurso energético
de las olas mediante la oscilación de agua del oleaje en el interior de una cámara. Las oscilaciones
producen cambios de presión en el aire del interior de la cámara, de manera que existe un flujo de
un fluido de trabajo que se puede aprovechar si se le hace pasar a través de una turbina, que
convierta la diferencia de presiones de la cámara en energía mecánica en un eje. Finalmente, una
máquina de inducción acoplada a la turbina y conectada a la red proporciona la salida eléctrica
(Figura 5).
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Figura 5. Mecanismo de funcionamiento de la columna de agua oscilante (Voith, 2012)
2.4 Dispositivos oscilantes. Tecnología OPT
La tecnología OPT (Figura 6) consiste en varias boyas que disponen de su propio sistema de
anclaje, de modo que el mástil se puede mover siguiendo la oscilación de las olas. Así́, las boyas
obtienen energía a partir del movimiento relativo entre el flotador y el mástil, mediante el sistema
hidráulico del que disponen, que utiliza actuadores hidráulicos para que la potencia saliente de la
boya sea lo más constante posible en el tiempo. La conversión energética es como sigue: el
movimiento vertical del flotador se traduce en el bombeo del fluido de trabajo, que a su vez acciona
un generador eléctrico; la salida eléctrica se transforma de baja a media tensión en una subestación
submarina, desde donde se lleva, mediante una línea eléctrica submarina, hasta la subestación
(Legaz, 2006).
Figura 6. Tecnología OPT para el mercado Europeo (Legaz, 2006).
3
Selección de Tecnologías
Dado el gran potencial energético que concentra el oleaje y las grandes iniciativas para capturar su
energía se desarrolla un sistema acorde a los requerimientos de generación y funcionalidad que debe
cumplir el proyecto. Principalmente se clasifican las características de las técnicas de
aprovechamiento realizadas en la actualidad para así establecer los componentes necesarios del
dispositivo convertidor de energía, especificando su funcionamiento y su forma de transferencia de
energía.
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3.1 Clasificación de Tecnologías de Conversión
Creus (2004) distingue cinco sistemas distintos que se emplean en la actualidad para extraer la
energía de las olas, a saber:
•
•
•
•
•
Flotadores: anclados en el fondo o unidos a una masa sumergida.
Depósitos: que almacenan agua aprovechando la energía cinética de las olas. El agua vuelve
al mar tras pasar por una turbina.
Balsas o pontones: aprovechan el movimiento relativo con el oleaje.
Neumáticos: las olas comprimen y descomprimen un flujo de aire que mueve una turbina.
Dispositivos móviles articulados: se mueven con las olas actuando sobre un motor
hidráulico.
Estos sistemas se pueden clasificar según distintos factores:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Emplazamiento o posición relativa respecto a la costa
Orientación relativa respecto al frente de ola
Posición relativa respecto del nivel de agua
Uso final de la energía
Modo de obtención de la energía
Tipo de energía que se aprovecha y rendimiento de la extracción
Principio de funcionamiento
Clasificación de conversión energética
Sistemas de generación de energía eléctrica
Sistemas de transporte eléctrico
Sistemas de almacenamiento de energía
3.2 Descripción de características seleccionadas para el dispositivo.
Se establece una serie de características asociadas a las condiciones a cumplir para las costas
Chilenas, las cuales se engloban atendiendo a la serie de condiciones específicas a las cuales está
sometido.
Emplazamiento relativo del dispositivo respecto a la costa: el dispositivo se emplazará en aguas
someras, cerca del litoral, situándose a profundidades que varían entre 20 y 30 metros. Esto es
principalmente por sus ventajas de accesibilidad y disminución de costos de transporte de energía,
además de la poca perdida de energía experimentada en las costas Antofagastinas (Acuña &
Monardez, 2008).
Orientación relativa del dispositivo respecto al frente de ola: aprovechando el efecto antena, el
dispositivo entrará en la clasificación de absorbente puntual a base de flotador cilíndrico. Este
representa un convertidor de dimensiones pequeñas (2,5 m de diámetro) que captan la energía
independiente de la dirección de las olas.
Modo de oscilación del dispositivo: se utiliza la componente vertical de las partículas para subir y
bajar el dispositivo y generar mediante una bomba de pistón un efecto de bombeo.
Posición relativa del dispositivo respecto del nivel de agua: la estructura flotante permanece a nivel
de mar, mientras que los componentes, como la bomba de pistón y anclaje, quedan sumergidas.
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Uso final de la energía absorbida por el dispositivo: del dispositivo se obtiene energía eléctrica para
un reducido consumo, como es el caso de caletas de pescadores aisladas.
Almacenamiento de la energía: la energía producto del bombeo se almacena como energía de
presión, la cual se acumula en estanques hidroneumáticos o estanques a una cierta cota.
Modo de obtención de la energía: ésta se obtiene al transferir la energía de presión del fluido, a un
caudal constante, y canalizándola por una turbina la cual genera la energía eléctrica de salida.
Tipo de energía que aprovecha y rendimiento de la extracción del dispositivo: el dispositivo sólo
aprovecha la energía potencial de la ola, la cual es proporcional a la masa y altura de agua
desplazada del flotador. Debido a las condiciones de olas existentes, el rendimiento puede aumentar
dimensionando sus partes para producir la resonancia entre el flotador y las olas.
Principio de funcionamiento: el dispositivo oscila con el movimiento vertical de la ola, el cual
proporciona un movimiento mecánico aprovechable con la bomba de pistón.
Conversión energética: se plantea una conversión secundaria, la cual establece un traspaso de la
energía del fluido en energía eléctrica como producto final. Este traspaso lleva consigo pérdidas lo
que reduce la eficiencia del convertidor. La transformación energética se efectúa mediante una
interfaz mecánica que convierte las bajas velocidades de rotación en altas velocidades de rotación,
aptos para ser conectadas a un generador convencional.
Sistemas de generación de energía eléctrica: la conversión energética será producida a velocidad
constante, esta velocidad estará controlada por el sistema de almacenamiento de energía tanto para
el estanque hidroneumático como para el embalse acumulador a cierto nivel de altura.
Sistemas de transporte energético: el transporte energético desde el convertidor hacia la costa se
efectúa mediante tuberías de alta presión las cuales transportan el bombeo del fluido de trabajo.
Sistemas de almacenamiento de energía eléctrica: para la producción aislada sólo se puede
garantizar el suministro si se combina con otras fuentes energéticas, para así garantizar la
producción. Además, se contemplan baterías para acumular los máximos de energía producidos por
el dispositivo.
El sistema a elaborar en laboratorio consta de un flotador cilindro acoplado a una bomba de pistón
la cual está anclada al fondo marino por medio de una estructura de hormigón o acero según las
características de fondo marino. El pistón asciende por la acción del oleaje y desciende por
gravedad, generando un movimiento de una bomba tipo pistón produciendo un flujo de agua que se
aprovecha en una turbina hidráulica y devolviéndola nuevamente al mar.
4
Construcción del Modelo
Con la finalidad de experimentar sobre este tipo de energía y observar cómo influyen las variables
que condicionan este medio de generación, se describen los procesos realizados para la elaboración
e instalación de un modelo físico de generación de energía por medio de un simulador de oleaje, y
el procedimiento realizado en los ensayos para extraer la información.
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4.1 Producción de Energía
El modelo consiste en un dispositivo boyante que contiene un sistema de anclaje al fondo del mar,
el cual une mediante un pistón a un nivel definido el anclaje y la boya solidaria a la ola, de modo
que el cuerpo boyante pueda moverse siguiendo la oscilación del mar. Así, la boya obtiene energía
mecánica de este movimiento relativo entre la boya y el pistón.
4.2 Materiales del Modelo Experimental
Este se desarrolla a base de diversos dispositivos los cuales se modifican en función del
requerimiento. Principalmente el modelo físico cuanta con una bomba de pistón, boya y acumulador
de presión, además de un generador de oleaje incorporado a un canal artificial disponible en el
Laboratorio de Hidráulica del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad Católica del
Norte, cuyas características se describen adelante. Se nombra la instrumentación y los materiales
utilizados para la obtención de la información.
4.2.1 Pistón
Para llevar a cabo la succión y presurización del líquido de trabajo, se ideó un pistón de plástico el
cual consta de un cilindro y paleta los que se pueden visualizar en la Figura 7.
Figura 7. Partes que conforman el pistón del dispositivo generador de energía.
Las dimensiones del pistón son diámetro interior de 15 [mm], altura máxima de 67 [mm] y volumen
máximo de succión igual a 11839,877 [mm3].
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4.2.2 Boya
Para generar el movimiento mecánico y llevar a cabo el empuje y la fuerza mecánica del pistón, se
incorporó una boya de material ligero (poliestireno expandido o plumavit) unida al pistón en su
parte superior (Figura 8). Además, se incorporaron dos contrapesos en los extremos inferiores con
la finalidad de bajar la boya y accionar la succión de agua al pistón, para su siguiente presurización
al paso de la ola. Esto se debe a que el peso del flotador no resultaba suficiente para accionar el
pistón bajándolo a su posición inicial.
Figura 8. Dispositivo boyante del generador de energía.
Las dimensiones de la boya consideradas son 10 [cm] de alto, 27 [cm] de ancho, 10 [cm] de largo y
Contrapesos de 200 [gr].
4.2.3 Canal Artificial
Para crear condiciones semejantes de oleaje, se habilitó uno de los canales artificiales ubicados en el
Laboratorio de Hidráulica de la Universidad Católica del Norte, el cual posee 9 metros de longitud
con sección rectangular de 29 [cm] de base y 48 [cm] de altura, construido principalmente por
vidrio, acrílico transparente y soportes de acero (Figura 9).
Figura 9. Canal artificial del laboratorio de hidráulica utilizado en la experiencia.
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4.2.4 Generador de Oleaje
Para la generación de oleaje se ideó un dispositivo con el objetivo de formar un tren de oleaje que
represente de mayor forma condiciones reales en el mar, para así, realizar las pruebas al prototipo.
El funcionamiento de éste depende de distintos dispositivos como son: variador de frecuencia,
motor eléctrico y paleta generadora (Figura 10).
Figura 10. Dispositivo generador de Oleaje.
4.2.5 Acumulador de Presión y registro de Caudales
Para la acumulación de presión se utiliza un estanque hidroneumático el cual tiene conectado un
manómetro para registrar las presiones desarrolladas por el modelo. Además, se incorporan tubos
piezométricos con la finalidad de estimar la potencia de salida mediante el registro de alturas y
caudales a distintos niveles (Figura 11). Con esta información se puede construir la curva de
funcionamiento del dispositivo y establecer la presión y caudal de salida para aumentar la
producción de energía del mismo, estimado por la ecuación de energía de la turbina.
Figura 11. Estanque hidroneumático y tubos piezométricos.
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4.3 Pruebas del Modelo
El trabajo experimental efectuado en el laboratorio consistió en la obtención de resultados sobre la
producción de energía del modelo sometido a pruebas de condiciones de oleaje.
4.3.1 Metodología de Trabajo
Producción de oleaje: para el análisis de oleaje incidente se probaron las condiciones de oleaje que
permite el generador en cuanto a altura de olas y frecuencia. Figura 12 muestra los resultados
obtenidos, con una altura máxima de ola generada de 10,5 [cm].
Figura 12. Máxima ola desarrollada por el generador.
Esta ola tiene asociada una potencia, calculada según Ecuación (4):
N L = 0.01709kW / m
Instalación del modelo: Figura 13 muestra el dispositivo. Éste consistió en anclar el modelo al
fondo del canal además de medir la altura a la cual queda el flotador.
Figura 13. Instalación del modelo.
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Descripción de ensayos: se analizaron 6 ensayos con el objetivo de trazar la curva de
funcionamiento del modelo. Esta curva depende del caudal entregado a distintos niveles.
Los ensayos fueron efectuados a un ritmo de oleaje constante. Las características del oleaje que
definen la energía para todos los ensayos son las siguientes:
•
•
Periodo de oleaje: 1,58 [s].
Altura de olas: 7,8 [cm].
Condiciones que han sido considerado constantes para simplificar las variables que afectan al
prototipo y que en resumen no afectan a la producción de energía del mismo.
Toma de datos: para cada uno de los ensayos se utilizaron tubos piezométricos de distintas
longitudes conectados a la salida de la bomba pistón. Cada uno de estos tubos indica la presión
alcanzada y su salida entrega el caudal del mismo. Para la obtención de la presión máxima, la cual
genera un caudal nulo, se incorporó un manómetro a la salida del estanque hidroneumático.
El caudal se obtiene con cada impulsión o bombeo generado por la ola, midiendo este volumen de
agua entregado a distintas alturas entre el período de la ola.
4.4 Resultados del prototipo en laboratorio
4.4.1 Potencia Absorbida
Para el análisis de “potencia absorbida” del modelo se adoptó como referencia la energía total que
concentra el tren de olas tomando como ancho de frente el ancho del canal. Esta energía se compara
con la absorbida por el convertidor la cual se estima con la potencia de salida del prototipo. Esta
potencia se obtiene con los resultados de presión y caudal entregados por las pruebas.
El Gráfico 1 muestra la variación de caudal respecto a la presión de salida. El gráfico 2 muestra la
variación de la potencia de salida con las condiciones de presión y caudales para cada uno de los
ensayos y estimaciones (destacadas).
La potencia concentrada en la ola es del orden de 2735 [W] mientras que la potencia absorbida por
el prototipo (como resultado final en energía eléctrica) es de 0,021 [W], representando solo el 0,7 %
de la energía total dispuesta por la ola.
Distribución del caudal y altura del prototipo
Caudal (ml/seg)
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
200
450
700
950 1200 1450 1700 1950 2200 2450 2700 2950 3200
Altura mm.c.a.
Gráfico 1. Distribución de caudal y altura de salida del prototipo.
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Distribución de potencia del salida
potencia μW
25
20
15
10
5
0
200
450
700
950 1200 1450 1700 1950 2200 2450 2700 2950 3200
Altura mm.c.a.
Gráfico 2. Distribución de potencia de salida del prototipo a distintos niveles de altura.
El gráfico de potencia de salida muestra que el punto óptimo de funcionamiento se encuentra a un
nivel de altura del orden de los 1600 [mm.c.a.], en el cual la potencia de salida es máxima. Este
punto representa el óptimo de desarrollo para este tipo de dispositivos y el punto de extrapolación
hacia un dispositivo a mayor escala.
Esta energía máxima tiene asociado un caudal y altura de presión. Con este caudal y las
dimensiones de la bomba permite determinar la altura que experimenta el flotador del modelo. La
razón entre dicha altura y la altura de la Ola se denomina Factor de Subida (Tabla 1). Con esta
información y las dimensiones del flotador del modelo se extrapolan los resultados al prototipo a
escala real.
Tabla 1.- Datos entregados en laboratorio para la obtención de Factor de Subida
Diámetro Bomba
1,50
cm
Periodo de la Ola
1,58
s
Altura Ola
7,80
cm
Caudal en Punto Máximo
1,75
ml/s
Altura que experimenta el Flotador
1,56
cm
Factor de Subida (FS)
0,20
-
4.5 Aplicación a Escala Real
La estimación de la potencia entregada por un convertidor a escala real se realiza extrapolando
linealmente los resultados del modelo en laboratorio. La variable para la estimación son la presión y
caudal entregado asociado a cierto factor de subida y dimensiones del pistón.
Los resultados de la experimentación entregan parámetros de comparación para estimar el
convertidor final. Esta experimentación muestra que las restricciones de dimensiones las entrega el
clima de oleaje en cuanto a su altura H y periodo T. Estos parámetros restringen el diseño del
mismo para sus dimensiones máximas.
El componente principal en la extrapolación resulta ser el flotador. Las dimensiones de este están
ligadas a la relación experimental obtenida en laboratorio e igual a:
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•
•
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Altura del flotador: Hp/2
Diámetro del flotador: λp/4
Hp corresponde a la altura de ola promedio y λp la longitud de onda promedio de la “estadística” en
la zona de ubicación del convertidor. Esta relación es obtenida mediante análisis visuales de
comportamiento del prototipo frente a diversos regímenes de oleaje y potencia de salida del
dispositivo.
Los resultados parciales de la experimentación muestran que para un dispositivo establecido en las
costas de Antofagasta (25 metros de profundidad), las dimensiones del flotador son del orden de
1 [m] de altura y 2,5 [m] de diámetro, variando estas dimensiones a medida que se aumenta la
profundidad.
La Figura 14 muestra un esquema del convertidor final el cual está compuesto por dos flotadores; el
superior recoge la energía y el inferior estabiliza el sistema, los cuales están anclados al fondo del
mar mediante tres anclajes en forma de pirámide. La bomba pistón tiene un largo de 3,5 [m] debido
a los cambios en la marea (alrededor de 1,20 metros para la zona de Antofagasta según
SHOA, 2012), además, el diámetro de la bomba resulta de 27,3 [cm].
Figura 14. Imagen con el prototipo señalando sus componentes (modificado de
SEARASER, 2012).
5
Evaluación de la Factibilidad Técnica
Para la evaluación de la factibilidad técnica del aprovechamiento del recurso energético es
necesario establecer las características que debe cumplir el prototipo final. La cuantificación del
recurso energético, específicamente en las costas de Antofagasta, y la estimación de la potencia
generada por el dispositivo a escala real, que convierte la energía mecánica del oleaje en energía
eléctrica, para luego realizar una comparación entre otras fuentes energéticas son los focos de
análisis.
5.1 Estimación de la potencia del oleaje
La cuantificación del recurso disponible queda determinada en función del clima de oleaje y su
potencialidad en las posibles localizaciones futuras.
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5.1.1 Características del lugar de emplazamiento del convertidor
Las características principales para la elección del lugar deben basarse principalmente en criterios
que favorezcan el desarrollo de un eventual proyecto. Se privilegia aquellos sitios más expuestos al
oleaje. Además existen criterios que no están relacionados directamente con la generación eléctrica,
pero sus variables influyen significativamente en la factibilidad técnica, tales como la distancia a
líneas de trasmisión, caminos de acceso, disponibilidad de maquinas e insumos para la
construcción, disponibilidad de servicios marítimos y portuarios para la instalación y mantención de
las centrales son variables a considerar en una adecuada proyección del emplazamiento.
5.1.2 Información de oleaje en aguas profundas
Se ha utilizado la base de datos de olas en aguas profundas del proyecto Olas Chile. El Proyecto
Olas Chile (Atria Baird & SHOA, 2001) consiste en una base de datos de largo plazo de olas
espectrales direccionales en aguas profundas sobre toda la costa chilena.
A partir de los datos disponibles se establecen los parámetros de Clima de Oleaje preponderantes
que caracterizan la energía contenida en el oleaje, estos son período (T) y altura (H) de Olas. Estos
datos estadísticos resumen el clima de oleaje en la zona, entregando las series de estados de mar por
mes en la estación.Los datos específicos utilizados corresponden a los disponibles de la estación
olas para la Región de Antofagasta (Topex 9 23°38’ S/ 70°25’ W), la cual representa valores
promedios mensuales de periodo y altura significativa de olas para un periodo de medición de 1 año
(1990-1991). En los gráficos 3 y 4 se exponen los valores máximos, mínimos y promedios de los
parámetros de resumen disponibles de la estación.
Alturas de Olas (m)
Distribución mensual de altura de olas, año 1991
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
Meses
MEDIO
MIN
MAX
Gráfico 3. Distribución mensual de alturas de olas en estación Topex 9, año 1991.
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Distribución mensual de periodos de olas , año 1991
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Periodos (s)
14
12
10
8
6
4
2
0
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
Meses
MEDIO
MAX
MIN
Gráfico 4. Distribución mensual de periodos de olas en estación Topex 9, año 1991.
5.1.3 Calculo de la potencia del oleaje
Utilizando las expresiones de potencia propias de la Teoría Lineal del Oleaje (Ec.4), con los
parámetros de periodos y alturas promedios se obtiene la potencia en [kW/m] concentradas en cada
ola. El gráfico 5 muestra la potencia promedio del año de datos disponibles.
Distribución mensual de la potencia del oleaje
Potencia Del Oleaje (kW/m)
25
20
15
10
5
0
E
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
Meses
Gráfico 5. Distribución mensual de potencia de olas en estación Topex 9, año 1991.
La variabilidad del recurso se asocia a los cambios estacionales en las condiciones atmosféricas. Se
aprecian los mayores niveles de potencia en los meses de invierno. La diferencia entre los niveles
promedios mensuales de mayor y menor potencia son del orden de 14,2 [kW/m].
5.2 Estimación de la potencia de salida mediante la matriz de conversión de energía
La potencia de salida del convertidor se obtiene mediante la creación de su matriz de conversión de
energía extrapolada del modelo físico a escala (Tabla 2), correspondiente a la relación de potencia
que es capaz de generar el convertidor bajo distintas condiciones de oleaje (altura y período). Cada
parámetro de altura (fila) y período (columna) se asocia a un determinado valor de potencia de
salida estimado.
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Tabla 2. Matriz de conversión de energía en [kW].
Ciertas regiones de la matriz figuran con un valor nulo de potencia de salida, definidas por climas
extremos de oleaje: sobre el nivel de capacidad, a partir del cual el dispositivo se desconecta para no
sufrir daños producto de la intensidad del oleaje. Otras regiones registran un nivel máximo
constante para aumentos de alturas de oleaje. Esto se debe a que la bomba de pistón alcanza su
longitud máxima a una altura de 3,5 metros y para alturas mayores el dispositivo se sumerge para
recubrirse de daños.
La magnitud de la potencia capturada aumenta con la altura del oleaje, mientras que el efecto del
periodo tiende a reducirla. El nivel máximo de energía entregado por la matriz corresponde a la
potencia nominal del dispositivo y es la cual el dispositivo funciona en su mayor eficiencia.
A partir de las series de estados de mar se obtienen series de potencia de salida con la matriz de
conversión. Para el análisis de potencia de salida se considera el valor promedio de altura de olas y
periodo obteniendo una potencia promedio de 0,380 [kW], además, el convertidor puede
normalizarse a potencia instalada de 1 [MW]. Por ejemplo, un parque de 100 convertidores de
10 [kW] de potencia nominal constituye una central de 1 [MW].
5.3 Factor de Capacidad
Este factor corresponde al cociente entre la producción anual de energía y la producción máxima
teórica que podría llega a desarrollar un dispositivo que capta la energía de las olas, equivalente a la
operación a un 100 % del tiempo en su potencia nominal. Una manera proporcional de identificar
este factor es el cociente entre la potencia media de salida y la potencia nominal del dispositivo.
El grafico 6 muestra el factor de capacidad real del prototipo a escala real en función de los meses
del año de registros disponible, a una profundidad de 25 metros.
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Grafico 6. Variación del Factor de Capacidad del dispositivo para el año de datos.
5.4 Componentes del convertidor
A partir del modelo de convertidor de energía desarrollado se seleccionan los dispositivos finales
que serán necesarios para transformar la energía mecánica en energía aprovechable. Se identifica
cada uno de los dispositivos que forman parte del diseño y se indican las características básicas que
debe tener el sistema.
5.4.1 Boya
Características y Dimensiones:
•
•
•
Material del flotador: Fibra de vidrio.
Diámetro: 2,5 m
Altura de captura: 1 m
Debido a su cuerpo cilíndrico la boya es indiferente a la dirección de propagación de las ondas del
mar, este criterio fue aprobado para aumentar su versatilidad en distintos puntos de incorporación
tanto fuera como dentro de la costa.
5.4.2 Bomba pistón
Características y Dimensiones:
•
•
•
Diámetro: 27 cm
Altura: 3,5 m
Volumen máximo de trabajo: 0,11 m3.
Las bombas de pistón funcionan acopladas a la boya. Ésta es accionada con el oleaje incidente.
Cuentan con un cilindro que contiene el pistón y un juego de válvulas. En la parte inferior del
cilindro se encuentra la boca de aspiración, mientras que la de impulsión está situada lateralmente.
La longitud del pistón depende directamente de los niveles de alta y baja marea. Estos cambios del
mar se reflejan en la posición relativa del flotador al anclaje en el fondo del mar. Se debe analizar
este factor para cada uno de las zonas de emplazamiento del proyecto.
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5.4.3 Turbina Pelton
Este equipamiento de turbina representa el intercambio de energía de presión del fluido de trabajo a
energía eléctrica. Esta turbina consta de palas que reciben el impacto de un chorro de agua de alta
velocidad que se proyecta desde un inyector. En estas turbinas de chorro libre, la conversión de la
energía cinética a mecánica se realiza a presión atmosférica y sólo se modifica el vector de
velocidad del agua.
5.4.4 Sistema de almacenamiento de energía
Con respecto al almacenamiento de la energía, la viabilidad y rentabilidad depende de la morfología
de la zona donde vaya ubicado el convertidor. Éste puede ser como estanque hidroneumático o
embalse acumulador (bruscos desniveles en la costa como por ejemplo: sectores cercanos al
símbolo turístico La Portada). Además esta opción es una de las únicas formas de almacenar energía
en largos períodos de tiempo.
Embalse Acumulador
Debe ubicarse a una cota estimada por diseño, su volumen está regulado para mantener un
suministro continuo. Por otra parte esta alternativa tiene asociado una pérdida de energía por
conceptos de vaporización. La Figura 15 muestra el sistema.
Figura 15. Sistema de funcionamiento con embalse acumulador (modificado de SEARASER,
2012).
Estanque hidroneumático
Aplicable cuando no existen desniveles pronunciados o éstos se encuentran muy lejanos
(Figura 16). A su vez esta alternativa entrega mayor libertad para la ubicación del sistema pero no
permite almacenar grandes cantidades de agua sino más bien concentrar altas presiones.
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Figura 16. Sistema de funcionamiento con estanque hidroneumático acumulador (modificado
de SEARASER, 2012).
5.5 Características del Proyecto
El proyecto consta de 20 flotadores que entregan 7,6 [kW] de potencia promedio, el conjunto de
flotadores requiere un equipo generador del tipo Pelton Betta P450 suministrada por la industria.
Esta turbina consta con todos los componentes necesarios para el funcionamiento continuo con la
incorporación del espacio físico para funcionar (casa de maquinas) y la entrada de agua a presión
hacia un embalse a una altura definida. En la Tabla 3 se muestran las características principales del
sistema.
Tabla 3. Características del Proyecto
Numero de flotadores
Numero de turbina Pelton
Caudal de diseño
Altura neta del embalse
Energía media anual
Factor de Capacidad
6
20
1
41,4
23
66576
51,3
Un.
Un.
l/s.
m
kWh/año
%
Conclusiones
A continuación se exponen las conclusiones relacionadas con los principales factores que
intervienen en el proceso de investigación, cuantificación del recurso y desarrollo de potencial del
dispositivo desarrollado.
El oleaje a lo largo de la costa chilena no presenta variaciones significativas, destacándose como
característica de los climas de oleaje oceánicos la baja ocurrencia de periodos de calma. En
Antofagasta la potencia no desciende mayormente de los 7 [kW/m] en la estación de análisis, es
más en varios meses no baja de los 10 [kW/m]. Esto convierte a la ciudad de Antofagasta en un
lugar apto para la generación de electricidad a través de la energía de las olas.
La potencia generada por el dispositivo convertidor de energía es sensible con respecto al lugar
físico de colocación. Esto se debe a que el dispositivo se adapta mejor dependiendo del clima del
oleaje, las influencias del fondo costero y la cercanía de la costa. Sin embargo la determinación del
sitio óptimo debe ser obtenido a través de un estudio técnico económico. Sin embargo la costa de la
ciudad de Antofagasta constituye un lugar apto, desde el punto de vista técnico, para la generación
de electricidad con la energía de las olas.
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Referencias
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