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DISEÑO DE AEROGENERADORES, PANELES FOTOVOLTAICOS, INSTALACIONES DE MINICENTRAL HIDRÁULICA E INSTALACIÓN

ENERGÉTICA DE BIOMASA.

Diseño de Aerogeneradores

La Energía Eólica es una de las fuentes de energías renovables para la que se dispone de una tecnología madura, por lo que su explotación es técnica y económicamente viable.

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

Así mismo en función de su utilización se dividen en:

- Sistemas aislados o autónomos.

- Parques eólicos.

En esta empresa nos enfocamos en Pequeños aerogeneradores, que tendrán como finalidad cubrir la demanda de energía de pequeños consumidores, en general de núcleos aislados. La demanda es en forma de energía eléctrica, para lo cual se utilizan sistemas auxiliares de almacenamiento (baterías). En muchos casos estos sistemas estarán asistidos por un sistema fotovoltaico, dando lugar a los llamados Sistemas Híbridos. Las instalaciones se calculan para el mes más crítico del año.

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 Españoles.

España es el segundo fabricante mundial de aerogeneradores, después de Alemania.


UBICACIÓN DE LOS PEQUEÑOS AEROGENERADORES:

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

CARACTERÍSTICAS DE UNA INSTALACIÓN AISLADA CON PEQUEÑO AEROGENERADOR.

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

- Paneles Solares: Se necesitarán si se opta por un sistema híbrido.

- Regulador de Carga: Evitan sobrecargar y descargas profundas de la batería a través de los paneles en los períodos sin luz.

- Inversor: Transforman la corriente continua en alternas.

- Baterías: Acumulan energía.

- Generador eléctrico: Apoyan la instalación en días de climatológicamente adversos o en un consumo más elevado.

INSTALACIÓN DE UN PEQUEÑO AEROGENERADOR:

Cada fabricante, dependiendo de las características de su aerogenerador, propone un sistema de montaje distinto. También existen diferentes tipos de torres (elemento que nos permite elevar el aerogenerador a una distancia del suelo exponiéndolo a un viento más 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 más robustas y pesadas que las abatibles y necesitan de una grúa para su instalación.

1 Energía Eólica, Miguel Villarrubia, Ediciones Ceac, España, 2004.


Los trabajos de obra civil para la instalación son:

-Reforma o ampliación del camino existente,

- Realización de plataforma de acceso (en especial para el asentamiento de la grúa y posicionamiento de las góndolas), y

- Construcción de cimentaciones.

Estos trabajos estarán condicionados por la orografía del terreno y las características del emplazamiento.

Requerimientos de estudio geotécnico antes del montaje de la torre:

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

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

- Las cimentaciones deben poder soportar adecuadamente el aerogenerador bajo las condiciones más extremas a las que pueda estar sometido: cargas de viento máximas de un período de 50 años. Con estos datos se diseña la cimentación, los cálculos estarán basados en momentos de resistencia frente a momentos de vuelco por las cargas de aerogenerador, y comprobación de los esfuerzos cortantes.


Diseño de Paneles Fotovoltaicos

Se define como sistema fotovoltaico el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar y transformar la energía solar disponible, transformándola en utilizable como energía eléctrica.

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

Los sistemas aislados se utilizan normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumo energético muy bajos (no compensa pagar el coste de la conexión a la red) y a los que sería muy difícil conectarlos debido a su posición poco accesibles: Ya a partir de 3 Km\2 de la red eléctrica, podría resultar conveniente instalar un sistema fotovoltaico para alimentar una vivienda.

CALIDAD PANELES FOTOVOLTAICOS

GARANTÍA POTENCIA RENDIMIENTO GARANTÍA POTENCIA NOMINAL

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

Vivienda familiar

Resistencia de viento 24 KPa

España es el líder mundial en fabricación de paneles solares fotovoltaicos. Los fabricantes utilizados para el diseño de los proyectos son: Wagner Solar, Eurener, Solener, entre otros.

2 Compendio de Energía Solar: Fotovoltaica, Térmica y Termoeléctrica, José Mª Fernández Salgado, AMV

Ediciones, España, 2008.


APLICACIONES DE SISTEMAS AISLADOS FOTOVOLTAICOS

Electrificación de viviendas e instituciones públicas y comunitarias. Alumbrado público. Bombeo y tratamiento de agua.

UBICACIÓN DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS

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

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

CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AISLADO

- El acumulador: Baterías de acumulación de energía. - El regulador de carga: protege la batería. - El inversor: convierte la corriente continua en corriente alterna. - Las cargas de consumo. - El cableado. - Protección y puesta a tierra. - Paneles fotovoltaicos: Tienen diferentes tamaños, están formados por 40 a 80

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

- La estructura de soporte fija, ó - 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 producción eléctrica en el orden de un 40 %.


Diseño Minicentral hidráulica

En las comunidades rurales aisladas con riquezas hidrológicas es de gran importancia disponer de un abastecimiento seguro y económico de energía eléctrica. La energía obtenida en instalaciones hidroeléctricas locales resulta a largo plazo extremadamente económica y segura.

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

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

Una planificación y una construcción integrada en el paisaje satisfacen las exigencias de conservación de la naturaleza y del medioambiente.

Para la elección del tramo más idóneo para la ubicación de la minicentral se ha de contar aguas arriba una gran superficie de aportación, el tramo ha de perder mucha altura con poco recorrido en planta y debe de garantizarse una aportación mínima que haga viable la explotación.

La minicentral hidráulica (de 50 a 500 Kw) se compone de: Obra de toma, Canal (caudal derivado hasta la cámara de carga), Desarenador, Cámara de carga y tubería forzada, Turbina Pelton ó Francis, Generador (transforma la energía mecánica de rotación, procedente de la turbina, en energía eléctrica), Caseta de maquinaria (alberga turbina, bancadas, generador, cuadro de control) y línea eléctrica.

TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

· 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 seguirá 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 tendrán reserva o no en función 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 energética bombeando agua hasta una altura superior en los momentos de escaso consumo.

CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA CENTRAL3

Previo a la construcción de la minicentral, es necesario evaluar el recurso para ver si es apropiado para una explotación hidráulica eficaz. Para ello, en primer lugar se realiza un estudio hidrológico, y después se evalúan las condiciones hidráulicas de operación (caudal y salto).

- Estudio hidrológico: Este estudio es necesario para determinar la potencia que se debe instalar en la central. Los datos se obtendrán de las estaciones de aforo presentes en la demarcación escogida y se realizará la curva de caudales medio.

- Caudal y salto: Una vez realizada la curva de caudales clasificados para el año de referencia, se procede a calcular el caudal nominal de la maquina. Las turbinas operan entre un caudal de equipamiento y un caudal mínimo técnico, 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 hidroeléctrica, Felipe Alonso Hernández, Universidad de Cantabria, España,

2009.


PARTES DE UNA CENTRAL

- Tubería forzada: Se trata de la conducción que lleva el agua hasta la turbina, salvando la diferencia de alturas que se presente en cada recurso hidráulico. Debe ser capaz de soportar la presión del agua tanto en condiciones normales como de sobrepresión debida a transitorios, que pueden dar lugar a golpes de ariete, muy perjudiciales en las instalaciones. Si se opta por instalar la tubería enterrada, deberá protegerse de la corrosión mediante pinturas adecuadas y recubrimientos de otras clases. Una buena protección evitara realizar un mantenimiento. Enterrar la tubería forzada lleva asociado un aumento de la sostenibilidad medioambiental de la instalación.

- Válvulas de mariposa: Utilizadas en centrales de relativamente poco caudal, como es el caso de este proyecto. Se instalan al final de la tubería forzada. Este tipo de válvulas consisten en un disco de sección lenticular alojado en un eje excéntrico, que permite o impide el paso del agua. Dada la baja cualificación para regular caudales, únicamente funcionan completamente abiertas o completamente cerradas.

- Turbinas Pelton: Turbinas de acción. 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 aspiración, 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 mecánico en energía eléctrica. Actualmente se emplean generadores de corriente alterna trifásica sincronos o asincronos. Los generadores se pueden colocar tanto con su eje en horizontal como en vertical. Típicamente conservan la configuración del eje de la turbina pero en ocasiones se justifica que no sea así por razones de espacio.


Diseño Central de Biomasa

Podemos ver la biomasa como un enorme almacén de energía que se renueva continuamente. Ya que la biomasa es la masa total de substancias orgánicas presentes en un hábitat. Las formas de biomasa en el planeta son muchas y variadas. Además de las grandes diferencias de los usos primarios que se dan a esta biomasa. Cuando finaliza el uso original, puede realizarse un aprovechamiento energético secundario de la biomasa. Para abordar un estudio de este tipo se recomienda la metodología WISDOM, desarrollada por la FAO. Esta metodología aborda el estudio de la biomasa para energía, desde el punto de vista de la oferta y la demanda de biomasa como combustible, obteniendo un balance, lo cual permite la planificación estratégica para la intervención de áreas prioritarias de actuación e implementación de estrategias de desarrollo de la bioenergía. 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 física y legal al recurso. TIPOS DE BIOMASA

La heterogeneidad de recursos aprovechables es una característica intrínseca de los sistemas de producción de energía asociados a la biomasa. Esto aumenta su complejidad ya que cada proyecto necesita análisis específico de disponibilidad, extracción, transporte y distribución. Existen diferentes tipos o fuentes de biomasa que pueden ser utilizados para suministrar la demanda de energía de una instalación, una de las clasificaciones más 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 energético, es tan importante como la descontaminación que se produce al eliminar estos residuos.

Para la generación de energía eléctrica nos centraremos en la Biomasa Residual Seca. Se incluye en este grupo los subproductos sólidos no utilizados en actividades agrícolas, en las forestales y en los procesos de las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera, y que por tanto, son considerados residuos. Este es el grupo que en la actualidad presenta un mayor interés desde el punto de vista del aprovechamiento de la energía eléctrica.

Se pueden clasificar de la siguiente manera:

1. Forestales: Derivados de la industrialización de la madera. Derivados de las operaciones silviculturales. Leña propiamente dicha

2. Agroindustriales:

Combustibles sólidos derivados de las operaciones de transformación y procesamiento de materias primas agrícolas, tales como bagazo, cáscaras de arroz, otros.

3. Agrícolas:

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

CARACTERÍSTICAS ENERGÉTICAS:

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

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

4 Diseño de Una Central de Biomasa de 1 Mw, Gerard Almona Peña, Universitat Rovira y Virgili, Valencia,

2010.


CRITERIOS DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

En una central de biomasa la electricidad es producida utilizando el vapor generado en las calderas a través 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 expansión del vapor procedente de la caldera, el cual tras ceder parte de su energía a la turbina, se condensa y se vuelve a introducir en la caldera, funcionando prácticamente a ciclo cerrado. Este tipo de turbina funciona mediante el ciclo de Rankine (ver esquema). El rendimiento eléctrico de este tipo de generación 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 combustión 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 energía mecánica al provocar el giro del rodete y con él

el del rodete del alternador.

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

al medio ambiente.

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

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


Esquema de Producción de Electricidad Basado en la Utilización de Biocombustible Sólido

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 generación eléctrica, que

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


ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES Y SOCIOECONÓMICO

DESCRIPCIÓN FOTOVOLTAICA EÓLICA BIOMASA MINI

HIDRÁULICA

Disponibilidad

ilimitada

SI SI SI SI

Reducción del C02 SI SI SI SI

Conservación del

Suelo

SI SI Sí, si se aplica

correctamente.

Sí, si se aplica

correctamente.

Accidentes Severos

Evitados

SI SI SI SI

Aceptación Social SI SI SI SI

Creación de Empleo SI SI SI SI

Desarrollo de

Estructura Económica

Descentralizada

SI SI SI SI

Incremento en la

Independencia

Energética

SI SI SI SI

Afección a la flora y a

la fauna

NO NO, si se aplica

Correctamente.

NO, si se aplica

correctamente.

NO

Afección a los

Recursos Hídricos

NO NO NO NO, si se aplica

correctamente.

Alteración del Relieve NO NO NO NO

Declinación del

paisaje

NO, si se aplica

correctamente.

NO, si se aplica

correctamente.

NO NO

Alteración de

Patrimonio

Arqueológico

NO NO NO NO

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