La Energía Renovable y su aplicación práctica

Enviado por Abdi

Introducción

En la actualidad es de suma importancia la aplicación de una energía limpia y renovable, para contribuir a la protección del planeta, aprovechando los recursos que nos brinda el mismo. Debido a que sufre producto de la contaminación y el agotamiento de algunos de sus recursos naturales, como son: petróleo, níquel, gas ideal, uranio. Para esto se están empleando técnicas con la utilización de recursos renovable, como la energía del viento, del sol, del agua y desechos de animales.

En Cuba estas técnicas son llevadas a cabo con el fin de aprovechar estos recursos mencionados anteriormente, aunque la implantación de muchos de estos métodos puede resultar costosa para nuestra economía y no son usadas en gran medida en comparación con otras potencias desarrolladas, se trata de explotar al máximo las fuentes de energía renovable, por eso, se plantea como problemática en este estudio realizado a la finca particular situada en un poblado el cual se encontró varios problemas debido a la lejanía que esta presenta respecto a la ciudad, que se pueden resolver con la aplicación de las técnicas de obtención de energía renovable, estos problemas se encuentran mayormente en la demanda eléctrica que presenta la casa ya que la electricidad llega con muy poca tensión, por otra parte, para la cocción de los alimentos se emplean los equipos electrodomésticos, los cuales no tienen un adecuado funcionamiento con el bajo voltaje existente en la finca.

El estudio realizado está girado a resolver el problema de la baja tensión eléctrica existente en la finca generando corriente eléctrica mediante la energía renovable, así como la obtención del biogás a través del excremento de los animales para sustituir el gas con el objetivo general de aplicación de técnicas renovables para incrementar al máximo la tensión eléctrica en la finca estudiada, así como utilizar biogás para la elaboración de los alimentos y otras tareas culinarias. Para poder lograrse el objetivo general se debe cumplirse los siguientes objetivos específicos:

1- Diseño de Biodigestores
2- Diseño de Aerogeneradores
3- Diseño de Paneles solares

Pregunta Científica.

¿Será suficiente la energía eléctrica generada y el biogás obtenido a través de los métodos enunciados de obtención de Energía Renovable para satisfacer las necesidades de la finca?

Capitulo1:

Fundamentos Teóricos

Desde los inicios de la humanidad el hombre ha investigado como mejorar su forma de vida y hacer más fácil su existencia en el planeta, el descubrimiento del fuego fue un gran adelanto, ya que se utilizó para múltiples tareas como la iluminación, cocción de alimentos, entre otros. A medida que se fue desarrollando encontró formas en que emplear el viento y la energía del sol las cuales se le denomino energía renovable ya que de este modo estaba aprovechando las fuentes inagotables de nuestro planeta. En 1930 se puso en práctica la (OTEC) por George Claude en la bahía de Matanzas, la cual fue pensada por D`Arsonval, la cual consistía en:

La energía acumulada producto al calentamiento del sol sobre la superficie del mar y las temperaturas existentes en las profundidades del mismo constituye una fuente inagotable de energía, la cual es conocida precisamente como energía termo-oceánica, siendo la tecnología de conversión termo oceánica (OTEC) por sus siglas en inglés, con el fin de generar electricidad. Este tipo de energía también es conocida como la distribución de temperatura vs profundidad o termoclina, siendo definida por la literatura como: la diferencia de temperatura existente entre el agua superficial y el agua fría de la profundidad del mar. Este fenómeno ocurre producto a que el 70% de la superficie de la tierra está cubierta por agua y de esta, el 97,4% de ella se encuentra en los océanos, según OIA Inc. Las capas superficiales del océano tropical, acumulan 300 veces más calor que las necesidades de producir este, con el fin de generar electricidad en el Mundo actual. Este potencial se distribuye a lo largo de la Tierra, causado fundamentalmente por la circulación de una corriente marina producto a la temperatura, el movimiento rotacional de la tierra y la existencia de los vientos como se muestra en la figura Nº1. Esta corriente fluye a lo largo de los océanos pasando por diferentes procesos térmicos al interactuar con las zonas tropicales y polares.

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Figura 1. Corriente Oceánica. Fuente: OIA Inc.

Los biodigestores pueden ser de varios tipos que se utilizan para pequeñas y grandes producción de biogás donde se puede aprovechar los residuos de animales y cultivos apropiados para este propósito. Este concepto es muy aplicable en Cuba, especialmente en las zonas rurales o agropecuarias. Un número pequeño de reses o de chanchos puede satisfacer las necesidades energéticas para cocina o iluminación de una granja, finca o comunidad rural. Esta información fue obtenida del folleto de Energía Renovable, Conceptos y aplicaciones.
La fuerza del viento ha sido aprovechada por los seres humanos desde las primeras civilizaciones para sus necesidades de fuerza, transporte y en actividades agrícola. Se cree que los primeros molinos de viento datan de la antigua Persia del siglo dos antes de la era cristiana. El desarrollo moderno de la energía eólica (que no es más que la energía que proviene del viento) para la producción de electricidad se origina en los Estados Unidos, en 1888. A consecuencia de la crisis energética de fines de los 1970 e inicios de los 1980, el mundo desarrollado volvió su atención a las fuentes inagotables de energía y emprendió en la instalación de parques eólicos, lo que se llamó el torrente eólico de California. Eran máquinas de 55 Kw de tres palas. En la actualidad, las aplicaciones más importantes de la energía eólica son para la generación eléctrica y para el bombeo de agua, con el fin de contribuir al desarrollo de la energía renovable y la protección del planeta con el objetivo de aprovechar todos los recursos no contaminantes que nos brinda la tierra. Esta información fue obtenida del folleto de Energía Renovable, Conceptos y aplicaciones.
El colector solar transforma la radiación solar en calor. La frecuencia de la radiación solar que se aprovecha en los colectores solares está en el rango entre 300 y 3000 nm, es decir incluye el espectro visible más la radiación infrarroja cercana. Existen básicamente dos tipos de colectores solares: el plano y el concentrador parabólico. El de tipo plano permite temperaturas entre los 20 y 120 0C; y, el concentrador entre 150 a 800 0C. El primero se utiliza para calentamiento de agua o aire en residencias, piscinas e industrias porque requieren una temperatura baja; mientras que el segundo se usa en sistemas de vapor para hospitales, industrias y grandes instalaciones incluyendo plantas de generación eléctrica que necesitan mayor temperatura, obteniendo una energía limpia y sin contaminación.
La Energía Fotovoltaica es energía eléctrica (-voltaica) obtenida directamente de los rayos del sol (foto-) gracias al efecto fotoeléctrico de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamada capa fina. También están en fase de laboratorio métodos orgánicos. Los módulos o paneles fotovoltaicos están formados por un cristal o lámina transparente superior y un cerramiento inferior entre los que queda encapsulado el sustrato conversor y sus conexiones eléctricas. La lámina inferior puede ser transparente, pero lo más frecuente es un plástico de tedlar. Para encapsular se suele añadir unas láminas finas y transparentes de EVA (Etilvinilacetato) que se funden para crear un sellado anti humedad, aislante, transparente y robusto. La corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparto electrónico llamado inversor e inyectar en la red eléctrica, operación actualmente sujeta a subvenciones en muchos lugares para una mayor viabilidad. Esta información fue obtenida a través de la Enciclopedia Libre: Wikipedia

En el presente informe se utilizaron las siguientes técnicas con el fin de resolver la problemática previamente enunciada:

-Biodigestores

-Aerogeneradores

-Paneles Solares

Otros tipos de energía:

-Hidroelectricidad

-Geotérmica

-La Energía del Mar

-Energía de las Olas

-Fuerza Mareomotriz

Capitulo2:

Metodología de diseño utilizado

En este capítulo se llevara a cabo el diseño del biodigestor, aerogenerador y de los paneles solares en la finca estudiada, esta es una forma de aprovechar las riquezas que nos brinda la naturaleza y mediante la tecnología avanzada convertirla en energía eléctrica con el objetivo de sustituirla por la energía no renovable.

2.1.1 Diseñando un digestor y un tanque de almacenamiento.

La finca estudiada está situada a 15 KM del municipio de Jovellanos, en ella habitan 6 personas entre ellos dos niños, el propietario trabaja en convenio con la empresa de porcinos de la provincia de Matanzas, este quiere diseñar un biodigestor para aprovechar el residuo solido de los animales y ayudar con el problema de la tensión eléctrica, el biodigestor utilizado es el de domo fijo, por su bajo costo y facilidad de elaboración.

Los datos se encuentran en la tabla 9.5 (anexo 1) y la Tabla 1 (anexo 2)

Peso de la Vaca W1
Peso del Chancho W2
Cantidad de animales CD
Peso total de los animales PT= (W1+W2) x Cd
Producción de estiércol por día T ( PrT) = PT x T/1000 kg de animal
Total de sólidos por día TS (Pr TS) = PT x TS /1000 kg de animal

– Sólidos volátiles por día VS (Pr VS) = PT x VS /1000 kg de animal

– BO: Se encuentra en la tabla 9.4 (Anexo 3)

En un tiempo de retención de 25 días porque se necesita un animal que tenga bajo periodo de retención y otro alto, para cuando estos residuos se mesclen bien se le disminuya el tiempo de producción de biogás al mas alto, en cuanto al cerdo desde los 15 días ya está produciendo gas el cual es almacenado, la temperatura existente en el lugar, por ser una zona agrícola y bosques es de 28 °C.

Aplicando las fórmulas de:

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2.1.2 Cantidad obtenida de biogás si la composición del mismo es de un 50% y CH4 de un 50%.

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2.1.3 Volumen del biodigestor con una mezcla de estiércol y agua de 1 a 1 y el volumen del tanque gasificador requerido si la relación de VD/VG = 5

TS/día= 33.9 kg/día

Factor de dilución: 1 a 1, es decir uno de agua por uno de residuo, entonces:

-Total sustrato = 2 x 33.9 kg/día = 67.7kg/día,

1 kg de substrato ˜ 1 litro; 1 m3 = 1000 litros = 0.0677m3 / día

-Tiempo de retención = 25 días

-Volumen del digestor = Total substrato x tiempo de retención = 1.69 m3.

-La relación VD/VG = 5, entonces volumen del VG=VD/5 = 0.34m3.

El volumen del digestor y el tanque de almacenamiento a fabricar es de 1.69 m3 (Digestor) y 0.34 m3 (tanque de almacenamiento). Se ha decidido que si factible la utilización del biogás para la vivienda estudiada.

Se llegó a la conclusión de que la cantidad de biogás obtenida al día es suficiente al compararlo con 100 libras de gas licuado, que es la cantidad que tiene un botellón de tamaño estándar, el cual tiene un promedio de duración en una vivienda normal de 3 a 4 meses

Creación de un aerogenerador.

Las condiciones del terreno donde se colocara el aerogenerador esta aproximadamente al mismo nivel del mar, el mismo será utilizado para generar electricidad en la vivienda.

Los datos se encuentran en la (tabla 2) y (anexo 4).

Qué tipo de aerogenerador se va a utilizar.

Se tomo como muestra un aerogenerador de 3 pala para realizar el siguiente calculo y con el valor de Cp y ? buscar en la figura 8.10 del folleto de energía renovable de Santiago Sánchez Miño (2003).

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Tipo de aerogenerador a utilizar es del tipo Tripala.

2.2.3. Velocidad del viento corregida.

-La altura máxima es de Hm=20m para que sobrepase todos los obstáculos del terreno y aproveche la mayor masa de aire.

-La altura desde el suelo hasta el rotor es de Hr=18 porque tiene un diámetro de 4m

-a=0.1extaido de la tabla 8.3 del folleto de energía renovable de Santiago Sánchez Miño (2003).

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Vr = 4,548 m/s. Este es el valor de la velocidad corregida del aire, esta es corregida porque va ha existir una cierta variación del aire según la altura que este situado el aerogenerador y de la rugosidad del terreno.

La velocidad corregida del viento es 4.548 m/s.

2.2.4 Potencia del aerogenerador.

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—Eficiencia de traslación.

-Nt=0, 94

-Eficiencia del generador.

-Ng=0, 95

Se tomaron estos valores de la Conferencia # 5 de la Asignatura Optativa: Energía Renovable

Pt´ =Pt x Nt x Ng =0.24kWatth

1 año ? 8760 h=20%*8760 h=1752 h. A la cantidad de horas que tiene un año se le multiplica el 20% porque no siempre hay suficiente aire capaz de producir energía.

1752h*Pt´=1752h*0.24kWatt=423,53kWatt/año. Cantidad de energía que produce mi aerogenerador al año

El consumo de la finca en un 1 mes y 1 año está en la tabla 3 (anexo 5) según los cálculos de los equipos.

La vivienda a la cual se le realizo el estudio consume un equivalente a 1435 kWatt al año, nuestro aerogenerador produce 423,53 kWatt al año. Para poder cubrir la demanda de la vivienda se deben colocar 4 aerogeneradores.

Diseño de paneles solares.

Este diseño es con el objetivo de suplantar a los aerogeneradores en caso de que no exista suficiente aire para mover las palas del aerogenerador.

Disponibilidad del recurso Solar:

En la zona escogida existe el recurso suficiente de energía solar. La radiación solar diaria promedio en el caso de estudio se tiene lecturas de 5,0 kWh/m2/día. Las condiciones climáticas del sitio son: poca nubosidad, temperaturas entre 28°C y 30°C, y vientos de aproximadamente 4,5 m/s.

Económico

El costo promedio de un kilómetro de red eléctrica incluyendo el transformador, acometida y medidor está ente USD 6.000 y 9.000. La ventaja de un SSR es que su costo de operación y mantenimiento es mucho menor, debiendo solamente sustituirse las baterías cada 6 a 8 años.

2.3.3 Ubicación

Los paneles solares serán ubicados sobre una base en el piso a una distancia de aproximadamente 20m.

2.3.4 Datos de radiación solar

El dato de la radiación solar promedio diaria de la zona en que se ubicaran los paneles es de 5 kWh m-2día-1.

2.3.5 Estudio de carga: Carga instalada y eléctrica

En la mayoría del tiempo no todos los equipos o electrodomésticos están conectados o funcionando, por lo que la demanda es menor que la carga instalada. La demanda de diseño resulta de la multiplicación de la carga instalada por el factor de demanda. La demanda eléctrica de los equipos electrodomésticos que se encuentra en los hogares se encuentra en la tabla 4 (anexo 6)

2.3.5.1 Demanda eléctrica en amperios hora

Hemos tomado en cuenta la eficiencia del inversor DC a AC del 85% y el voltaje de la batería como 12 V y el de AC como 120 V. Se incluye en este caso una reserva para cargas especiales o un incremento futuro de carga del 20%. Los cálculos obtenidos se encuentran en la tabla 5 (anexo 7)

2.3.6 Dimensionamiento de los equipos

Banco de batería: Elementos donde se almacena la energía en forma química para su uso posterior como electricidad en corriente continua. Tabla 6: Banco de batería. (Anexo 8).

2.3.7 Paneles fotovoltaicos

Hemos tomado un panel de 100Wp a 12V y una radiación solar de 5 kWh m-2día-1. Tabla 7: Paneles fotovoltaicos. (Anexo 9).

2.3.8 Controlador de carga

Es un dispositivo electrónico que controla permanentemente la carga del panel solar que debe encontrarse dentro de los límites tolerables por las baterías y, de acuerdo a ello, desconecta o conecta el panel. La capacidad del controlador de carga es de 20 amperios nominales, a 12 V. Tabla 8: Controlador de carga. (Anexo 10)

La implantación tanto de los aerogeneradores así como los paneles solares están dirigidos a el uso de la energía renovable; las condiciones climáticas son un factor que influyen directamente en el uso de estos, es por esa razón que se decidió aplicar estos dos métodos de obtención de energía limpia, según la variación del clima podrá funcionar uno, otro u ambos a la vez

2.3.9 Inversor

La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna. Los inversores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, desde pequeñas fuentes de alimentación para computadoras, hasta aplicaciones industriales para controlar alta potencia. Los inversores también se utilizan para convertir la corriente continua generada por los paneles solares fotovoltaicos, acumuladores o baterías, etc., en corriente alterna y de esta manera poder ser inyectados en la red eléctrica o usados en instalaciones eléctricas aisladas.

Tabla 9. (Anexo 11)

Conclusiones

1- Luego de haber realizado el estudio correspondiente con el objetivo de dar uso a las fuentes de energía renovable estudiadas se llegó a las siguientes conclusiones:
2- Con el diseño del biodigestor y el tanque de almacenamiento se pudo sustituir el uso de la energía eléctrica por el biogás en la finca estudiada en el municipio de Jovellanos, pues la cantidad de biogás producido al día por la vaca y el chancho es de 32.28 [m3biogás/día], resultado factible para el local.
3- En cuanto al diseño de los aerogeneradores y los paneles solares se obtuvo como resultado que ambos satisfacen las necesidades eléctricas de la finca, sustituyendo también el uso de la energía eléctrica, se obtuvo como resultado la implantación de 3 aerogeneradores, los cuales producen 423,53 kw/h al año cada uno, mientras que la finca consume 1200 kw/h al año. Mediante los cálculos realizados se obtuvo que son necesarios 6 paneles solares.

Bibliografía

1- Asbiel, D. Tesis Titulada: "propuesta de acoplamiento de la empresa niquelífera Ernesto che Guevara a una industria OTEC.
2- guardado. j. (2007). Diseño y Construcción de Pantas de Biogás Sencillas. Cuba-solar. Cuba, Habana.
3- Ochoa, G. (2007). Las producciones más limpias en la gestión empresarial. universo sur. Cienfuegos, Cuba.
4- Santiago, j. Sánchez, M. (2003). Energías Renovables. Conceptos y aplicaciones.
5- USAID/BOLIVIA, (2005). guía técnica general de producción más limpia. centro de promoción de tecnologías sostenibles, Bolivia, la paz.