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DISEO DE AEROGENERADORES, PANELES FOTOVOLTAICOS, INSTALACIONES DE MINICENTRAL HIDRULICA E INSTALACIN

ENERGTICA DE BIOMASA.

Diseo de Aerogeneradores

La Energa Elica es una de las fuentes de energas renovables para la que se dispone de una tecnologa madura, por lo que su explotacin es tcnica y econmicamente viable.

Los aerogeneradores se pueden clasificar en: Mini Aerogeneradores ( 3 Kw), Pequeos Aerogeneradores ( 50 Kw)*, Grandes Aerogeneradores ( 850 Kw) y Aerogeneradores Multimegavat (1 y 3 MW). Adems los aerogeneradores necesarios para aplicaciones en comunidades estn en el rango de 10-100 KW, son pequeos aerogeneradores que requieren herramientas de diseo similares a las de gran potencia.

As mismo en funcin de su utilizacin se dividen en:

- Sistemas aislados o autnomos.

- Parques elicos.

En esta empresa nos enfocamos en Pequeos aerogeneradores, que tendrn como finalidad cubrir la demanda de energa de pequeos consumidores, en general de ncleos aislados. La demanda es en forma de energa elctrica, para lo cual se utilizan sistemas auxiliares de almacenamiento (bateras). En muchos casos estos sistemas estarn asistidos por un sistema fotovoltaico, dando lugar a los llamados Sistemas Hbridos. Las instalaciones se calculan para el mes ms crtico del ao.

FABRICANTE AEROGENERADOR

MODELO POTENCIA VEL. MIN. DE VIENTO

ALTURA DE LA TORRE

SOLENER* VELTER XV 15 Kw 3,5 M/S 9 M

WINDECO* VENTO5000 5 Kw 2,5 M/S -

BORNAY * BORNAY6000 6 Kw 3,5 M/S 12 20 M

*Fabricantes Espaoles.

Espaa es el segundo fabricante mundial de aerogeneradores, despus de Alemania.


UBICACIN DE LOS PEQUEOS AEROGENERADORES:

Es necesario colocarlos en lugares despejados cuyo horizonte no presentase obstculos de altura o superior al mstil (o torre) en un radio de unos 300 metros. En general, un obstculo de altura H perturba el flujo del aire a una distancia de 2xH a Barlovento y de 10xH a Sotavento; en la direccin vertical la perturbacin puede alcanzar hasta una altura de 2xH. 1

CARACTERSTICAS DE UNA INSTALACIN AISLADA CON PEQUEO AEROGENERADOR.

- Aerogenerador: Depende de cada fabricante (ver curva de potencia de cada fabricante).

- Paneles Solares: Se necesitarn si se opta por un sistema hbrido.

- Regulador de Carga: Evitan sobrecargar y descargas profundas de la batera a travs de los paneles en los perodos sin luz.

- Inversor: Transforman la corriente continua en alternas.

- Bateras: Acumulan energa.

- Generador elctrico: Apoyan la instalacin en das de climatolgicamente adversos o en un consumo ms elevado.

INSTALACIN DE UN PEQUEO AEROGENERADOR:

Cada fabricante, dependiendo de las caractersticas de su aerogenerador, propone un sistema de montaje distinto. Tambin existen diferentes tipos de torres (elemento que nos permite elevar el aerogenerador a una distancia del suelo exponindolo a un viento ms constante y fuerte que el de la superficie). Nosotros preferimos las torres auto soportadas, ya que no necesitan tirantes para ser soportadas, pero deben de ser fijadas al terreno con cimentaciones. Son ms robustas y pesadas que las abatibles y necesitan de una gra para su instalacin.

1 Energa Elica, Miguel Villarrubia, Ediciones Ceac, Espaa, 2004.


Los trabajos de obra civil para la instalacin son:

-Reforma o ampliacin del camino existente,

- Realizacin de plataforma de acceso (en especial para el asentamiento de la gra y posicionamiento de las gndolas), y

- Construccin de cimentaciones.

Estos trabajos estarn condicionados por la orografa del terreno y las caractersticas del emplazamiento.

Requerimientos de estudio geotcnico antes del montaje de la torre:

- Terreno natural en viales: capacidad portante del suelo en funcin al tonelaje y trfico a soportar.

- Terreno natural en zapatas (cimentaciones): caractersticas del suelo en cada una de las posiciones de la(s) zapatas (cimentacin de cada aerogenerador), esfuerzos sobre el dintel, estabilidad frente al vuelco, estabilidad frente a deslizamiento, tensin del terreno, etc.

- Las cimentaciones deben poder soportar adecuadamente el aerogenerador bajo las condiciones ms extremas a las que pueda estar sometido: cargas de viento mximas de un perodo de 50 aos. Con estos datos se disea la cimentacin, los clculos estarn basados en momentos de resistencia frente a momentos de vuelco por las cargas de aerogenerador, y comprobacin de los esfuerzos cortantes.


Diseo de Paneles Fotovoltaicos

Se define como sistema fotovoltaico el conjunto de componentes mecnicos, elctricos y electrnicos que concurren para captar y transformar la energa solar disponible, transformndola en utilizable como energa elctrica.

Estos sistemas se dividen en dos categoras: Aislados y Conectados a la Red. Nos centraremos en la evaluacin de los sistemas aislados a la red.

Los sistemas aislados se utilizan normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumo energtico muy bajos (no compensa pagar el coste de la conexin a la red) y a los que sera muy difcil conectarlos debido a su posicin poco accesibles: Ya a partir de 3 Km\2 de la red elctrica, podra resultar conveniente instalar un sistema fotovoltaico para alimentar una vivienda.

CALIDAD PANELES FOTOVOLTAICOS

GARANTA POTENCIA RENDIMIENTO GARANTA POTENCIA NOMINAL

IEC 61215 10 AOS 4 Kw 1000 w/M2 25 AOS IEC 61730 Consumo medio Carga frontal 54 KPa

Vivienda familiar

Resistencia de viento 24 KPa

Espaa es el lder mundial en fabricacin de paneles solares fotovoltaicos. Los fabricantes utilizados para el diseo de los proyectos son: Wagner Solar, Eurener, Solener, entre otros.

2 Compendio de Energa Solar: Fotovoltaica, Trmica y Termoelctrica, Jos M Fernndez Salgado, AMV

Ediciones, Espaa, 2008.


APLICACIONES DE SISTEMAS AISLADOS FOTOVOLTAICOS

Electrificacin de viviendas e instituciones pblicas y comunitarias. Alumbrado pblico. Bombeo y tratamiento de agua.

UBICACIN DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS

Es necesario colocarlos en lugares despejados; en las viviendas y las instituciones se colocarn sobre la cubierta de las mismas. En los casos donde se necesite alimentar a un grupo de viviendas o a varias instituciones se optar por seguidores solares, donde se colocarn las placas fotovoltaicas.

Ej.: Para generar una potencia de 4 Kw, se necesitaran 3 paneles sobre el seguidor solar, como cada panel mide unos 1,67 m2, estaramos hablando de unos 5 m2 de superficie.

CARACTERSTICAS DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

- El acumulador: Bateras de acumulacin de energa. - El regulador de carga: protege la batera. - El inversor: convierte la corriente continua en corriente alterna. - Las cargas de consumo. - El cableado. - Proteccin y puesta a tierra. - Paneles fotovoltaicos: Tienen diferentes tamaos, estn formados por 40 a 80

clulas conectadas elctricamente en serie, con una superficie que oscila entre 0,8 m2 a los 2 m2.

- La estructura de soporte fija, - La estructura de soporte con seguidor solar: Sigue la trayectoria del sol desde el

amanecer hasta el atardecer. Con el seguidor solar se consigue un incremento de la produccin elctrica en el orden de un 40 %.


Diseo Minicentral hidrulica

En las comunidades rurales aisladas con riquezas hidrolgicas es de gran importancia disponer de un abastecimiento seguro y econmico de energa elctrica. La energa obtenida en instalaciones hidroelctricas locales resulta a largo plazo extremadamente econmica y segura.

Los gastos son estables y no dependen de las fluctuaciones imprevisibles de los precios del petrleo, gas y carbn del mercado.

Las minicentrales hidroelctricas exigen poco mantenimiento, sufren pocas averas y son adecuadas incluso para emplazamientos alejados y aislados.

Una planificacin y una construccin integrada en el paisaje satisfacen las exigencias de conservacin de la naturaleza y del medioambiente.

Para la eleccin del tramo ms idneo para la ubicacin de la minicentral se ha de contar aguas arriba una gran superficie de aportacin, el tramo ha de perder mucha altura con poco recorrido en planta y debe de garantizarse una aportacin mnima que haga viable la explotacin.

La minicentral hidrulica (de 50 a 500 Kw) se compone de: Obra de toma, Canal (caudal derivado hasta la cmara de carga), Desarenador, Cmara de carga y tubera forzada, Turbina Pelton Francis, Generador (transforma la energa mecnica de rotacin, procedente de la turbina, en energa elctrica), Caseta de maquinaria (alberga turbina, bancadas, generador, cuadro de control) y lnea elctrica.

TIPOS DE CENTRALES HIDROELCTRICAS

Centrales de agua fluyente: Estas centrales no acumulan agua, sino que utilizan el caudal del rio tal y como venga. El agua que no se emplee seguir su curso siendo evacuada por el aliviadero de la central. Pueden situarse en el mismo cauce del rio o en un canal hecho a tal efecto, y tendrn reserva o no en funcin de lo que se haya ensanchado el rio en la zona de la central.

Centrales de pie de presa: Se emplean embalses para acumular un considerable volumen de caudal y elevar el nivel del agua, de forma


que se puede controlar la potencia que producen en cada momento.

Centrales de bombeo: Regulan la demanda energtica bombeando agua hasta una altura superior en los momentos de escaso consumo.

CRITERIOS DE DISEO DE UNA CENTRAL3

Previo a la construccin de la minicentral, es necesario evaluar el recurso para ver si es apropiado para una explotacin hidrulica eficaz. Para ello, en primer lugar se realiza un estudio hidrolgico, y despus se evalan las condiciones hidrulicas de operacin (caudal y salto).

- Estudio hidrolgico: Este estudio es necesario para determinar la potencia que se debe instalar en la central. Los datos se obtendrn de las estaciones de aforo presentes en la demarcacin escogida y se realizar la curva de caudales medio.

- Caudal y salto: Una vez realizada la curva de caudales clasificados para el ao de referencia, se procede a calcular el caudal nominal de la maquina. Las turbinas operan entre un caudal de equipamiento y un caudal mnimo tcnico, que se obtiene aplicando un factor al caudal nominal que depende del tipo de turbina que se vaya a instalar.

Qmt = K * Qe

Tipo de turbina Coeficiente K

Pelton 0,10

Kaplan 0,25

Semikaplan 0,40

Francis 0,40

Coeficientes K para los distintos tipos de turbina En este proyecto nos centraremos en la turbina Pelton.

3 Proyecto de una minicentral hidroelctrica, Felipe Alonso Hernndez, Universidad de Cantabria, Espaa,

2009.


PARTES DE UNA CENTRAL

- Tubera forzada: Se trata de la conduccin que lleva el agua hasta la turbina, salvando la diferencia de alturas que se presente en cada recurso hidrulico. Debe ser capaz de soportar la presin del agua tanto en condiciones normales como de sobrepresin debida a transitorios, que pueden dar lugar a golpes de ariete, muy perjudiciales en las instalaciones. Si se opta por instalar la tubera enterrada, deber protegerse de la corrosin mediante pinturas adecuadas y recubrimientos de otras clases. Una buena proteccin evitara realizar un mantenimiento. Enterrar la tubera forzada lleva asociado un aumento de la sostenibilidad medioambiental de la instalacin.

- Vlvulas de mariposa: Utilizadas en centrales de relativamente poco caudal, como es el caso de este proyecto. Se instalan al final de la tubera forzada. Este tipo de vlvulas consisten en un disco de seccin lenticular alojado en un eje excntrico, que permite o impide el paso del agua. Dada la baja cualificacin para regular caudales, nicamente funcionan completamente abiertas o completamente cerradas.

- Turbinas Pelton: Turbinas de accin. Una serie de inyectores proyectan chorros de agua sobre la turbina, de forma que se produce el movimiento del disco. Una turbina Pelton de eje vertical puede tener hasta seis inyectores, mientras que las de eje horizontal suelen tener uno. Las turbinas Pelton carecen de tubo de aspiracin, por lo que no cuentan con la ganancia de rendimiento que este produce. Se emplean en saltos elevados, que pueden llegar a los 1.200 m.

- Generadores: El generador es el elemento encargado de transformar el par mecnico en energa elctrica. Actualmente se emplean generadores de corriente alterna trifsica sincronos o asincronos. Los generadores se pueden colocar tanto con su eje en horizontal como en vertical. Tpicamente conservan la configuracin del eje de la turbina pero en ocasiones se justifica que no sea as por razones de espacio.


Diseo Central de Biomasa

Podemos ver la biomasa como un enorme almacn de energa que se renueva continuamente. Ya que la biomasa es la masa total de substancias orgnicas presentes en un hbitat. Las formas de biomasa en el planeta son muchas y variadas. Adems de las grandes diferencias de los usos primarios que se dan a esta biomasa. Cuando finaliza el uso original, puede realizarse un aprovechamiento energtico secundario de la biomasa. Para abordar un estudio de este tipo se recomienda la metodologa WISDOM, desarrollada por la FAO. Esta metodologa aborda el estudio de la biomasa para energa, desde el punto de vista de la oferta y la demanda de biomasa como combustible, obteniendo un balance, lo cual permite la planificacin estratgica para la intervencin de reas prioritarias de actuacin e implementacin de estrategias de desarrollo de la bioenerga. Una vez contabilizada y espacializada la biomasa potencial disponible a partir de los residuos existentes en la comunidad, se calcula la oferta disponible accesible, teniendo en cuenta la accesibilidad fsica y legal al recurso. TIPOS DE BIOMASA

La heterogeneidad de recursos aprovechables es una caracterstica intrnseca de los sistemas de produccin de energa asociados a la biomasa. Esto aumenta su complejidad ya que cada proyecto necesita anlisis especfico de disponibilidad, extraccin, transporte y distribucin. Existen diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden ser utilizados para suministrar la demanda de energa de una instalacin, una de las clasificaciones ms aceptada es la siguiente:


ESQUEMA DE UNA CENTRAL DE BIOMASA


BIOMASA RESIDUAL SECA

La biomasa residual es la que se genera como consecuencia de cualquier proceso en que se consuma biomasa. En muchos casos puede ser autosuficiente desde el punto de vista energtico, es tan importante como la descontaminacin que se produce al eliminar estos residuos.

Para la generacin de energa elctrica nos centraremos en la Biomasa Residual Seca. Se incluye en este grupo los subproductos slidos no utilizados en actividades agrcolas, en las forestales y en los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformacin de la madera, y que por tanto, son considerados residuos. Este es el grupo que en la actualidad presenta un mayor inters desde el punto de vista del aprovechamiento de la energa elctrica.

Se pueden clasificar de la siguiente manera:

1. Forestales: Derivados de la industrializacin de la madera. Derivados de las operaciones silviculturales. Lea propiamente dicha

2. Agroindustriales:

Combustibles slidos derivados de las operaciones de transformacin y procesamiento de materias primas agrcolas, tales como bagazo, cscaras de arroz, otros.

3. Agrcolas:

Derivados de cultivos agrcolas en general, tales como paja, rastrojos, entre otros.

CARACTERSTICAS ENERGTICAS:

Generalmente la biomasa se elimina por ser molesta para la instalacin que la produce o porque entorpece las labores agrarias o ganaderas que la generan. Cuando esto ocurre se est desperdiciando una fuente de energa importante.

Para generar Un (1) Mw de energa elctrica se necesita procesar 660 Kg/hora de biomasa.4

4 Diseo de Una Central de Biomasa de 1 Mw, Gerard Almona Pea, Universitat Rovira y Virgili, Valencia,

2010.


CRITERIOS DE TRANSFORMACIN DE LA BIOMASA PARA LA GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA

En una central de biomasa la electricidad es producida utilizando el vapor generado en las calderas a travs de un turbogrupo. Este consiste en una turbina que va unida por un rotor a un alternador, que al girar, produce electricidad. La turbina gira accionada por la expansin del vapor procedente de la caldera, el cual tras ceder parte de su energa a la turbina, se condensa y se vuelve a introducir en la caldera, funcionando prcticamente a ciclo cerrado. Este tipo de turbina funciona mediante el ciclo de Rankine (ver esquema). El rendimiento elctrico de este tipo de generacin es del 25% al 33%.

Etapas del Ciclo de Rankine.

Como se ha visto con anterioridad, el ciclo de Rankine es un ciclo vapor-agua formado por los

siguientes componentes:

Economizador (1-1) _ Calienta el agua sobre presionada, procedente de la bomba mediante los

humos calientes de combustin que se desprenden en la caldera.

Caldera (1-2) _ En ella se produce la quema de biomasa para vaporizar el agua.

Turbina (2-3) _ En la turbina el vapor cede energa mecnica al provocar el giro del rodete y con l

el del rodete del alternador.

Condensador (3-4) _ El vapor abandona la turbina y pasa al condensador y se lica cediendo calor

al medio ambiente.

Bomba Impulsora (4-1) _ Es la encargada de impulsar el agua de condensacin proveniente del

condensador hacia el economizador y la caldera para su posterior evaporacin.


Esquema de Produccin de Electricidad Basado en la Utilizacin de Biocombustible Slido

Turbina de Vapor

El control de velocidad de la turbina, es muy importante, y se debe realizar con un control

absoluto. Con la velocidad de la turbina, regulamos el la frecuencia de generacin elctrica, que

son 50 Hz. Este valor de frecuencia es esencial para poder acoplar el generador a la red.


ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES Y SOCIOECONMICO

DESCRIPCIN FOTOVOLTAICA ELICA BIOMASA MINI

HIDRULICA

Disponibilidad

ilimitada

SI SI SI SI

Reduccin del C02 SI SI SI SI

Conservacin del

Suelo

SI SI S, si se aplica

correctamente.

S, si se aplica

correctamente.

Accidentes Severos

Evitados

SI SI SI SI

Aceptacin Social SI SI SI SI

Creacin de Empleo SI SI SI SI

Desarrollo de

Estructura Econmica

Descentralizada

SI SI SI SI

Incremento en la

Independencia

Energtica

SI SI SI SI

Afeccin a la flora y a

la fauna

NO NO, si se aplica

Correctamente.

NO, si se aplica

correctamente.

NO

Afeccin a los

Recursos Hdricos

NO NO NO NO, si se aplica

correctamente.

Alteracin del Relieve NO NO NO NO

Declinacin del

paisaje

NO, si se aplica

correctamente.

NO, si se aplica

correctamente.

NO NO

Alteracin de

Patrimonio

Arqueolgico

NO NO NO NO

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