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.

Monografias.com

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:

Monografias.com

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

Monografias.com

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).

Monografias.com

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).

Monografias.com

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.

Monografias.com

—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
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Cuba-solar. Cuba, Habana.
3- Ochoa, G. (2007). Las producciones
más limpias en la gestión empresarial. universo
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4- Santiago, j. Sánchez, M. (2003).
Energías Renovables. Conceptos y
aplicaciones.
5- USAID/BOLIVIA, (2005). guía
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sostenibles, Bolivia, la paz.