CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
La mayor parte de la energía eléctrica en nuestro país se obtiene de los combustibles fósiles (energía térmica) y a través de los recursos naturales como el agua (hidroeléctrica). Estas fuentes presentan desventajas ambientales significativas.
Estas desventajas permiten reflexionar sobre la importancia de contemplar otras alternativas de progreso que no solo permitan disminuir el impacto ambiental sino también resolver otros problemas del modelo energético vigente, como lo son la inseguridad del abastecimiento y la insuficiencia de las redes de transporte y distribución para llegar a toda la población. Frente a esto, las fuentes de energía renovables, que son las que utilizan para su generación, recursos naturales que se renuevan constantemente, siendo estas la mejor solución, dado que son inagotables, autóctonas, limpias, no dependen de las infraestructuras de transporte de energía, favorecen el desarrollo económico local y crean empleo.
Se pretende analizar las ventajas de utilizar las energías renovables como lo es la energía solar o la energía eólica, estudiando los actuales procesos de generación eléctrica y contraponiéndolos con estas fuente alternativa, a través del Sistema Automatizado de generación de energía alterna de uso
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residencial, este análisis, se realizará para determinar si la opción a implementar podría traer tanto beneficios económicos como ambientales para la población en general.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN.
Continuando con la revisión de estudios previo se presenta el trabajo de Olano V y Leo G (2009), realizaron su trabajo de investigación de pregrado titulado, 'Diseño de un sistema de transferencia de energía para una vivienda unifamiliar basado en energía verde''. URU
Para esta aplicación en la ciudad de Maracaibo. El diseño se basa en determinar las necesidades del Sistema de Transferencia de Energía y proceder al dimensionado del Sistema de Generación Fotovoltaico y materiales necesarios para su correcto funcionamiento a partir de la carga promedio de 9403.25W de una vivienda unifamiliar y un sistema de generación fotovoltaico de 3.2kWp en las respectivas 5 horas de Sol de la ciudad de Maracaibo.
De igual manera, se seleccionó el Protocolo de Comunicaciones a utilizar como interfaz del sistema de control y medición planteado. El protocolo que mejor se adaptó a las necesidades de este diseño, por ser a través del cableado eléctrico evitando así, cualquier instalación física y poseer altas velocidades de transmisión, fue el Protocolo IEEE P1675 o PLC. Todo lo anterior sujeto a cada una de las normas y estándares que rigen los tres
componentes básicos del sistema: el Sistema Fotovoltaico, Sistema de En los últimos años el consumo de energía eléctrica se ha elevado a un ritmo superior al crecimiento económico.
Los efectos ambientales de la generación eléctrica difieren en función de la fuente primaria utilizada como lo son los combustibles fósiles, fuentes hidráulicas, entre otras; además de las tecnologías aplicadas, la situación y el entorno de las instalaciones. Motivo por el cual, se plantea el Diseño del Sistema de Transferencia de Energía basado en Energía Verde, específicamente Energía Fotovoltaica, tomando en cuenta la situación geográfica y las condiciones climáticas perfectamente convenientes Comunicaciones y el Sistema de transferencia automática de energía.
La tesis antes expuesta se considera fundamental para el presente trabajo de investigación, dado que en el mismo brinda información necesarios para el correcto funcionamiento del sistema fotovoltaico de una vivienda unifamiliar.
Continuando con la revisión de estudios previo se presenta el trabajo de Carrasquero M. (2008), el cual realizó el trabajo de investigación de Pregrado, titulado "Diseño e implementación de un sistema automatizado de pruebas eléctricas a fusibles, interruptores, transformadores de corriente y conectores de media y baja tensión utilizados por ENELVEN ".URU
Con el objetivo de automatizar las pruebas eléctricas realizadas a fusibles, interruptores, transformadores de corriente y conectores, se diseñó e
implementó un sistema automatizado de pruebas eléctricas. Dicha implementación se llevó a cabo en el Laboratorio de Verificación de la Calidad de ENELVEN, ubicado en el Centro de Operaciones Teolindo Álvarez.
Este sistema automatizado, permite elaborar pruebas eléctricas a los dispositivos antes mencionados y visualizar los resultados de cada una de las pruebas realizadas con el mismo. Esta sistema consta de un hardware diseñado especialmente para esta aplicación, conformado por un motor, termopares, un computador portátil, un equipo inyector de corriente, una interfaz y un transformador de corriente; de igual forma el sistema posee un software diseñado en VISUAL BASIC 6.0, que permite controlar y monitorear la ejecución de las pruebas de forma sencilla a través de pantallas de fácil manejo, en las que resulta muy simple introducir la información requerida para la elaboración de dichas pruebas.
El hardware y el software combinados, constituyen el sistema automatizado de pruebas eléctricas, que se convierte en una herramienta de avanzada demostrada mediante apropiados y confiables resultados, obtenidos en pruebas ejecutadas en dispositivos seleccionados, utilizando los protocolos de pruebas diseñados también para estos fines, así como el referido sistema automatizados. Este producto fortalece el equipamiento del mencionado laboratorio y asegura la correcta ejecución de tales pruebas eléctricas en el proceso de calificación de la calidad de los fusibles, interruptores, transformadores de corriente y conectores adquiridos por
ENELVEN.
Como resultado final del estudio, la relación con la investigación fue muy beneficiosa, envista a que esta aporta en materia de teoría y desarrollo una ayuda fundamental dado que su variable coincide con la tesis a realizar.
Así mismo Capacho S. (2006), realizó el trabajo de investigación de Pregrado, titulado “Manual de Diseño, Instalación y Aplicación de un Sistema de Generación Fotovoltaica para Fines Didácticos”.LUZ El objetivo general de esta investigación fue desarrollar una metodología de Diseño, Instalación y Aplicación de un Sistema de Generación Fotovoltaico, como alternativa para el suministro de energía eléctrica con fines didácticos, para una carga monofásica de 120V con una potencia hasta 3 KVA, tomando en cuenta las condiciones ambientales del Municipio Maracaibo- Estado Zulia.
Este tipo de investigación fue no experimental y documental. La información fue extraída de Textos, Folletos, Documentos, Revistas Científicas, Artículos por Internet, Normativas Nacionales e Internacionales, y otros tipos de fuentes documentales y bibliográficas de particular interés. El resultado de esta investigación fue la elaboración de un manual que contiene la información necesaria que permite conocer de una forma sencilla y clara del funcionamiento de un Sistema de Generación Fotovoltaica, con diferentes diseños, su instalación acorde con las características ambientales del Estado Zulia. Para el dimensionamiento del banco de baterías, se utilizó las Normas del IEEE, dejando un formato de diseño tanto para las de Plomo-Ácido, como
para las de Níquel-Cadmio, así como un formato para el cálculo de Sistemas Fotovoltaicos, para facilitar el cómputo de la demanda diaria y el número de paneles o módulos solares a utilizar.
Dicha tesis se considera un fundamento para el presente trabajo de investigación, ya que en el mismo se encuentra la información referente al patrón diario de Radiación Solar en la región Zuliana, a fin de realizar una selección o desarrollo de paneles solares acorde a la radiación solar del Municipio Maracaibo en el Estado Zulia.
De igual forma Páez M, (2004), realizó el trabajo de investigación titulado
“Energía Autónoma Fotovoltaica para Viviendas en Zonas Rurales”.URU El objetivo general de dicha investigación fue proponer un sistema de energía autónoma fotovoltaica para viviendas en zonas rurales del estado Zulia, y los objetivos específicos fueron:
1) Identificar los requerimientos necesarios para el sistema de energía autónoma fotovoltaica.
2) Establecer la factibilidad de la propuesta.
3) Diseñar la propuesta de energía autónoma fotovoltaica para viviendas en zonas rurales. Este tipo de investigación se ubicó en el rango Exploratorio y Descriptivo. En vista de que el tema no había sido abordado en el país, la mayor parte de la información y/o antecedentes fueron tomados de artículos publicados en el exterior; por su parte, las bases teóricas fueron extraídas de Textos, Folletos, Documentos, Revistas Científicas, Artículos de Internet, Normativas Nacionales e Internacionales, y otros tipos de fuentes
documentales y bibliográficas en particular.
Basado en los parámetros de diseño de energía solar fotovoltaica establecidos por la empresa SOLAREX, la investigación contempló la determinación de la carga total de la vivienda rural que operan en el tiempo requerido (amperio-hora), luego se procedió a la compensación de las pérdidas en el sistema y la estructuración de los sistemas de seguridad de la vivienda, a partir de esto de seleccionó el modulo solar adecuado para el sistema así como la determinación del tamaño de la batería. Fue necesario realizar un estudio climatológico de la región zuliana para la correcta selección de las celdas fotovoltaicas. Como resultado se obtuvo un diseño de un sistema fotovoltaico hibrido (alimenta cargas DC y AC) que consume en total 210 amperios-h con una tensión en 110V AC y 12V DC.
Dicha tesis se considera un soporte para el presente trabajo de investigación ya que se tomará como referencia que permitirá alcanzar un mejor entendimiento en la elaboración del Sistema Automatizado para la generación de energía alterna de uso residencial. De igual forma posee datos característicos de la región zuliana, en lo referente a consumo eléctrico y poblacional, que será utilizada para el cálculo y dimensionamiento del sistema la cual es necesaria para desarrollar el prototipo de la tesis.
2. BASES TEÓRICAS.
En esta parte se presenta el conjunto de teorías que sirven de fundamento en el presente estudio.
2.1. SISTEMAS AUTOMATIZADOS.
Según Piedrafita M. (2001, p.8), una forma clásica de abordar el estudio de los sistemas automatizados es la división en parte de mando y parte operativa. La parte operativa es la parte que actúa directamente sobre la maquina. Son los elementos que hacen que la maquina se mueva y realice la operación. Forman partes de ellas los accionadores de las maquinas como son motores de corriente continua, motores de corriente alterna, cilindros neumáticos, accionadores hidráulicos, compresores, bombas…
En un sistema de fabricación automatizado esta el autómata programable en el centro del sistema. El autómata programable debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes del sistema automatizado.
El autómata elabora las acciones a realizar sobre el sistema de fabricación en base al programa que ha sido introducido en su memoria, en base a la señales del los captores y a las órdenes que provengan del operador dialoga con el operador, recibiendo consignas y suministrando informaciones. Puede coordinarse con otros procesos comunicándose con los demás autómatas de la línea de producción o con un nivel superior de supervisión.
2.2. SISTEMA.
Parafraseando a Martin (2000) un sistema es un conjunto de funciones, bien sean estos reales o abstractos. También suele definirse como un conjunto de elementos dinámicamente relacionados formando una actividad
para alcanzar un objetivo operando sobre datos, energía o materia para proveer una información.
Desde esta perspectiva, puede definirse como sistema una serie de procedimientos preestablecido que conlleven a una determinada tarea de manera sistemática, es decir, que opere por sí misma con el fin de establecer un proceso que genera datos. Dicha actividad puede llevarse a cabo por cualquier medio material que sea programable (aunque sea una vez) siempre y cuando genere información.
Puede señalarse, que los elementos que componen un sistema son los componentes que operan por sí solo, pero que igualmente formen parte de un mismo todo, es decir, que la conjugación de dichos elementos que trabajan de manera única forma parte de un proceso general que da pie a determinada tarea ya programada. Estos elementos de tareas distintas deben integrarse entre sí para poder formar lo conocido como sistema.
2.2.1. TIPOS DE SISTEMA.
Interpretando lo expuesto por Martin (2000) respecto a sistema, se acota que los tipos de sistemas son todos aquellos elementos que realicen trabajos únicos pero que puedan conjugarse a un medio, los cuales dichos elementos sean programables y configurables, también vale destacar que estos elementos pueden ser reales o ficticios para así obtener diversidades de sistemas según sea lo deseado.
De acuerdo a diversos autores comentados existen diversos tipos de sistemas, para Bertalanffy los sistemas son: un conjunto de unidades recíprocamente relacionadas. De tal manera, se deducen dos tipos de definiciones una de manera directa y la otra no directa, es decir más globalizada. En la directa se define que un sistema tiene uno o algunos propósitos que trata siempre de alcanzar un objetivo determinado con el fin de cumplir u ejecutar otra tarea. En la no tan directa se expone básicamente que una reacción responde a otra, por ser esta teoría más globalizada que la anterior se muestra que un cambio en una de las unidades del sistema, con probabilidad producirá cambios en las otras, el efecto total se presenta como un ajuste a todo el sistema produciendo así una relación de causa/efecto.
En correspondencia con lo ya mencionado y con el autor, es de gran importancia definir homeostasia ya que forma parte del sistema. La homeostasia es el equilibrio dinámico entre las partes del sistema estos tienen una tendencia a adaptarse con el fin de alcanzar un equilibrio interno frente a los cambios externos del entorno. Una organización podrá ser entendida como un sistema o subsistema o un súper sistema, dependiendo del enfoque, el sistema total es aquel representado por todos los componentes y relaciones necesarios para la realización de un objetivo, dado un cierto número de restricciones. Los sistemas pueden operar, tanto en serie como en paralelo.
Por consiguiente a lo que se refiere a un sistema el autor Bertalanffy
(1987) define que los sistemas pueden clasificarse según su constitución, es decir pueden ser físicos o abstractos según sea el propósito operacional y objetivo de construcción que presenten. Los sistemas físicos, son compuestos por equipos, maquinaria, objetos y cosas reales; en conclusión lo que se le denomina a Hardware. Por otra parte los sistemas abstractos son compuestos por conceptos, planes, hipótesis e ideas; lo comúnmente conocido como el software.
No obstante a esto, los sistemas también pueden clasificarse en cerrados o abiertos según sea su naturaleza. Son cerrados si estos no presentan un intercambio con el medio ambiente que los rodea, son herméticos a cualquier influencia ambiental, no reciben ningunos recursos externos y no producen nada que sea enviado hacia fuera. Los sistemas cerrados en la realidad no existen, se da este nombre a aquellos sistemas cuyo comportamiento es determinado, programado y que opera con muy pequeño intercambio de energía y materia con el ambiente.
Por otra parte, un sistema abierto se definen a los que presentan un intercambio con el ambiente a través de entradas y salidas. Intercambian energía y materia con el ambiente son adaptativos para sobrevivir, su estructura es óptima cuando el conjunto de elementos del sistema se organiza, aproximándose a una operación adaptativa. La adaptabilidad es un continuo proceso de aprendizaje y de auto-organización.
Dentro de esta perspectiva, los tipos de sistemas para la presente
investigación sean denominado en cuatro tipos; mecánico, automáticos, de control y eléctrico, debido a que estos sistemas abarcan de manera general lo interesado para la realización de dicho estudio, es de gran importancia la conceptualización y entendimientos de los presentes tipos de sistemas para constatar el sistema a proponer.
2.2.1.1. SISTEMA MECÁNICOS.
De acuerdo con Gil N. y Díaz C. (2009, p. 14), los sistemas mecánicos se componen de elementos que pueden comportarse como masas, amortiguadores o muelles. La ecuación diferencial que rige el comportamiento de una masa es la segunda ley de Newton:
Donde f es la suma de las fuerzas exteriores aplicadas a la masa y x es su desplazamiento. El parámetro constante m es la propia masa y su unidad fundamental en el SI es el kilogramo, kg. Si el sistema gira en lugar de desplazarse, la ecuación que gobierna su movimiento es:
Donde es la suma de los pares exteriores aplicados al sistema y µ su giro. El parámetro constante J es la inercia del sistema y su unidad es el
.
La fuerza f que restituye un amortiguador cuando se comprime es proporcional a la velocidad con que se aproximan sus extremos. La ecuación diferencial que rige su comportamiento es:
El parámetro c es la constante del amortiguador o viscosidad, y su unidad es el Ns/m. Si una masa se desplaza dentro de un medio viscoso (al aire, el agua, etc.), además de su propia inercia debe vencer una fuerza viscosa proporcional a la velocidad con que se desplaza dicha masa. Este efecto se puede modelizar matemáticamente con un amortiguador cuyos extremos estuvieran anclados uno en el centro de gravedad de la masa y otro en un punto exterior fijo del medio. Evidentemente, este efecto no aparece en el vacío o en el espacio exterior, fuera de la atmosfera.
La fuerza f que restituye un muelle o resorte cuando se comprime es proporcional a la distancia x que se han acercado sus extremos desde su longitud natural. Es la llamada ley de Hooke:
f = kx
La constante k representa la rigidez del muelle y su unidad es el N/m. Para obtener las ecuaciones que representan a los sistemas mecánicos, se aísla cada elemento del sistema, introduciendo las fuerzas de enlace y se aplica la segunda ley de Newton a dicho elemento.
A continuación se muestran algunos casos en los que se da una
combinación de los tres elementos básicos de un sistema mecánico y las ecuaciones diferenciales que los gobiernan.
Figura 1: Sistema Mecánico Masa-Muelle-Amortiguador.
Fuente: Gil N. y Díaz C.(2009)
Dicha ecuación diferencial gobierna el sistema masa-muelle-amortiguador de la Fig. 1. La entrada al sistema es la fuerza f y la salida es el desplazamiento de la masa x. La entrada puede ser un desplazamiento en lugar de una fuerza, como ocurre en el caso de la figura 2. El desplazamiento u puede representar el desplazamiento de un vástago neumático. La
ecuación diferencial que se describirá a continuación gobierna este nuevo sistema.
Figura 2: Sistema Mecánico Masa-Muelle-Amortiguador.
Fuente: Gil N. y Díaz C.(2009)
También es posible que el sistema pueda modelizarse despreciando la masa de los elementos móviles.
Este es el caso del sistema de la Fig. 3, regido por la ecuación diferencial que se describirá a continuación.
Figura 3: Sistema Mecánico Muelle-Amortiguador.
Fuente: Gil N. y Díaz C.(2009)
2.2.1.2. SISTEMA AUTOMÁTICO.
Refiriéndose a sistemas automáticos, debe mencionarse el concepto de automatización “el implemento de optimizar elementos mecánicos para que se ejecuten por sí mismos”, pues este es el mentor de dicho sistema. Ya
mencionado esto, realizando hincapiés en las teorías de Bertalanffy (1987, p.127) un sistema automático está constituido por un dispositivo de entrada, una unidad de control y un dispositivo de salida, que conectados entre sí realizan la transferencia de información.
A partir de estos fundamentos, puede definirse que un sistema automático es la capacidad de utilizar las maquinas para llevar acabo determinadas tareas que anteriormente eran realizadas por los seres humanos, es decir, aplicar lo llamado automatización en equipos operacionales de manera mecánica para que estos operen por sí mismo sin tener la necesidad de un operador para su ejecución.
2.2.1.3. SISTEMAS DE CONTROL.
Parafraseando al autor Bertalanffy (1987), un sistema de control puede definirse como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Los sistemas de control más modernos en ingeniería automatizan procesos en base a muchos parámetros con el fin de hacer labores de manera eficaces y de fácil manipulación para controlar distintos elementos bajo una línea de parámetros.
De igual manera, los tipos de control pueden agruparse en tres tipos básicos. Uno de estos tipos serian los hechos por el hombre, como los sistemas electrónicos que están constantemente capturando señales de
estado y que al detectar un cambio en los parámetros preestablecidos del funcionamiento normal del sistema actúan mediante sensores y actuadores, para llevar al sistema de vuelta a sus condiciones operacionales normales de funcionamiento. Es decir, dichos sistemas son capaces de detectar un fallo y corregirlo por sí mismo, puesto a que el sistema se controla por sí mismo.
Por consiguiente, los otros dos tipos en que se clasifican los sistemas de control serian los casuales y no casuales. Un sistema es causal si existe una relación de causalidad entre las salidas y las entradas del sistema, más explícitamente, entre la salida y los valores futuros de la entrada. Un sistemas de control casual tiene la particularidad de que sus entradas y salidas son un tanto imprescindible, ya que las salidas se ejecuta bien sea por la entrada previa seleccionada donde estas pueden ser instruidas por el operador, además dichas entradas pudieran coincidir entre sí.
Dentro de este marco, los sistemas de control constan de distintas características que los determinan, como se pueden destacar. Señal de corriente de entrada, considerada como estímulo aplicado a un sistema desde una fuente de energía externa con el propósito de que el sistema produzca una respuesta específica. De igual manera existe, la señal de corriente salida, respuesta obtenida por el sistema que puede o no relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada.
Otro de los caracteres seria la variable manipulada, es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la respuesta deseada. Es decir, se
manipula la entrada del proceso. En relación a esta da la existencia a la variable controlada, es el elemento que se desea controlar, se puede decir que es la salida del proceso.
En este orden de ideas, se acotara lo que es una conversión “mediante receptores se generan las variaciones o cambios que se producen en la variable”, una variación externa “son los factores que influyen en la acción de producir un cambio de orden correctivo”. De esta forma se puede definir una conversión a aquel proceso que se da para realizar o ajustar cambios en un determinado proceso con el fin de dar una mejoría, dicha conversión se le realiza a la variable externa, es decir, es un proceso tangible.
2.2.1.4. SISTEMA ELÉCTRICO.
De acuerdo a Gil N. y Díaz C. (2009, p. 16), los sistemas eléctricos se componen de tres elementos fundamentales: las resistencias, los condensadores y las bobinas. La tensión que aparece sobre los extremos de una resistencia es proporcional a la intensidad que circula a través de ella. La constante proporcional se llama igualmente resistencia y su unidad en el SI es el ohmio, .
v = Ri
La tensión que aparece sobre los extremos de una bobina es proporcional a la derivada de la intensidad que circula a través de ella respecto del tiempo. La constante proporcional se llama inductancia y su unidad es el henrio, H.
La tensión que aparece sobre los extremos de un condensador es proporcional a la integral de la intensidad que circula a través de ella a lo largo del tiempo. Desde otro punto de vista, también se puede decir que la intensidad que circula a través de un condensador es proporcional a la variación de la tensión entre sus bornes. Esta última constante proporcional es la que se llama capacidad y su unidad es el faradio, F.
En un circuito en el que existan resistencias, bobinas y condensadores, las ecuaciones diferenciales que lo gobiernan se obtienen aplicando las leyes de Kirchhoff en las mallas o en los nudos. A continuación se muestran algunos casos en los que se da una combinación de estos tres elementos y sus respectivas ecuaciones diferenciales.
Figura 4: Sistema Eléctrico Resistencia-Bobina-Condensador.
Fuente: Gil N. y Díaz C.(2009)
En el sistema de la Fig. 4, la entrada en el circuito en la tensión vi y la salida es la tensión vo suponiendo que la corriente de salida es nula, o lo que es lo mismo, el circuito se conecta a un dispositivo de alta impedancia de entrada. En el sistema de ecuaciones diferenciales antes descrito interviene una variable intermedia: la intensidad i. Como ocurría anteriormente en los sistemas mecánicos, es difícil en el dominio temporal eliminar del sistema de ecuaciones estas variables intermedias para obtener una única ecuación diferencial que relacione la salida con la entrada.
Figura 5: Sistema Eléctrico con dos Mallas.
Fuente: Gil N. y Díaz C.(2009)
En el sistema de la Fig. 5 existen dos mallas, por tanto se obtienen dos variables intermedias entre las tensiones de salida y de entrada: las intensidades i1 e i2.
Figura 6: Sistema Eléctrico con Fuente de Corriente Fuente: Gil N. y Díaz C.(2009)
En el sistema de la Fig. 6 se muestra un ejemplo donde la entrada es una corriente en lugar de una tensión. La entrada es la corriente i de la fuente, la salida es la corriente i2 en la resistencia de carga RL y existe una variable intermedia que es la corriente i1 de la malla intermedia.
2.3. ENERGÍA.
Según Miñarro. (2006, p. 1), es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. De igual forma la energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. Puede hablarse del trabajo, la potencia y la energía mecánica.
2.3.1. EL TRABAJO.
Para el autor referido, el trabajo es una de las formas de Transmisión de energía entre los cuerpos, para realizar un trabajo es preciso ejercer una fuerza sobre un cuerpo y que éste se desplace.
El trabajo, W, de una fuerza aplicada a un cuerpo es igual al producto de la componente de la fuerza en la dirección del movimiento, Fx, por el desplazamiento, s, del cuerpo.
W = Fx·s
El trabajo, W, se mide en julios (J). La fuerza se mide en newtons (N) y el desplazamiento en metros (m).
2.3.2. LA POTENCIA.
Igualmente para el autor referido la potencia es la relación entre el trabajo realizado y el tiempo empleado. Se mide en vatios, W, en el Sistema Internacional.
La potencia mide la rapidez con que se efectúa un trabajo, es decir, la rapidez con que tiene lugar la transferencia de energía desde un cuerpo a otro.
P = W / t
2.3.3. LA ENERGÍA MECÁNICA.
El autor señala que la energía mecánica es producida por fuerzas de tipo mecánico, como la elasticidad, la gravitación, etc., y la poseen los cuerpos por el hecho de moverse o de encontrarse desplazados de su posición de equilibrio. Puede ser de dos tipos: Energía cinética y energía potencial (gravitatoria y elástica):
2.3.3.1. LA ENERGÍA CINÉTICA.
Se define como la energía asociada a los cuerpos que se encuentran en movimiento, depende de la masa y de la velocidad del cuerpo. Ej.: El viento al mover las aspas de un molino.
Ec = (1 / 2) x (m x V°2)
La energía cinética, Ec, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg) y la velocidad, v, en metros/segundo (m/s).
2.3.3.2. LA ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA.
Al mismo tiempo, la energía potencial es la energía que tiene un cuerpo situado a una determinada altura sobre el suelo. Ej.: El agua embalsada, que se manifiesta al caer y mover la hélice de una turbina.
Ep = m x g x h
La energía potencial, Ep, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad, g, en metros/segundo cuadrado (m/s 2 ) y la altura, h, en metros (m).
2.3.4. FORMAS DE ENERGÍA.
Asimismo Miñarro, (2008, p. 7), expresa que la energía puede manifestarse de diferentes maneras, en forma de movimiento (cinética), de posición (potencial), de calor, de electricidad, de radiaciones electromagnéticas, entre otras, y según sea el proceso la energía se pueden clasificar en:
2.3.4.1. ENERGÍA TÉRMICA.
De acuerdo con el autor consultado, se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura.
En suma la transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor.
2.3.4.2. ENERGÍA ELÉCTRICA.
Se define como es aquella producida por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce,
fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético. Ej.: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una bombilla.
2.3.4.3. ENERGÍA RADIANTE.
De igual manera es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. Ej.: La energía que proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor.
2.3.4.4. ENERGÍA QUÍMICA.
Para el autor referido es la que se produce en las reacciones químicas.
Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo.
2.3.4.5. ENERGÍA NUCLEAR.
Es aquella almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión. Ej.: La energía del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares. Esta se clasifica en:
(A).LA FISIÓN NUCLEAR.
Se define como, la fragmentación de un núcleo "pesado" (con muchos protones y neutrones) en otros dos núcleos de, aproximadamente, la misma masa, al mismo tiempo que se liberan varios neutrones. Los neutrones que se desprenden en la fisión pueden romper otros núcleos y desencadenar nuevas fisiones en las que se liberan otros neutrones que vuelven a repetir el proceso y así sucesivamente, este proceso se llama reacción en cadena.
(B). ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN.
Continuando por lo expresado del autor consultado, la fusión nuclear consiste en la unión de varios núcleos "ligeros" (con pocos protones y neutrones) para formar otro más "pesado" y estable, con gran desprendimiento de energía. Para que los núcleos ligeros se unan, hay que vencer las fuerzas de repulsión que hay entre ellos. Por eso, para iniciar este proceso hay que suministrar energía (estos procesos se suelen producir a temperaturas muy elevadas, de millones de ºC, como en las estrellas).
Puede decirse que esta forma de energía tiene mayor aplicabilidad en el desarrollo industrial de cualquier área.
2.3.5. FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLES.
De acuerdo con Miñarro, son aquellas que tras ser utilizadas, se pueden regenerar de manera natural o artificial; Algunas de estas fuentes renovables
están sometidas a ciclos que se mantienen de forma más o menos constante en la naturaleza.
2.3.5.1. ENERGÍA MAREOMOTRIZ.
En el mismo sentido según el autor es la producida por el movimiento de las masas de agua provocado por las subidas y bajadas de las mareas, así como por las olas que se originan en la superficie del mar por la acción del viento.
Ventajas: Es una fuente de energía limpia, sin residuos y casi inagotable.
Desventajas: Sólo pueden estar en zonas marítimas, pueden verse afectadas por desastres climatológicos, dependen de la amplitud de las mareas y las instalaciones son grandes y costosas.
2.3.5.2. ENERGÍA HIDRÁULICA.
De igual manera Miñarro, es la producida por el agua retenida en embalses o pantanos a gran altura (que posee energía potencial gravitatoria).
Si en un momento dado se deja caer hasta un nivel inferior, esta energía se convierte en energía cinética y, posteriormente, en energía eléctrica en la central hidroeléctrica.
Ventajas: Es una fuente de energía limpia, sin residuos y fácil de almacenar. Además, el agua almacenada en embalses situados en lugares altos permite regular el caudal del río.
Desventajas: La construcción de centrales hidroeléctricas es costosa y se necesitan grandes tendidos eléctricos. Además, los embalses producen pérdidas de suelo productivo y fauna terrestre debido a la inundación del terreno destinado a ellos. También provocan la disminución del caudal de los ríos y arroyos bajo la presa y alteran la calidad de las aguas.
2.3.5.3. ENERGÍA EÓLICA.
Por otra parte es producida por el viento que se transforma en electricidad en unos aparatos llamados aerogeneradores (molinos de viento especiales).
Ventajas: Es una fuente de energía inagotable y, una vez hecha la instalación es gratuita. Además, no contamina: al no existir combustión, no produce lluvia ácida, no contribuye al aumento del efecto invernadero, no destruye la capa de ozono y no genera residuos.
Desventajas: Es una fuente de energía intermitente, ya que depende de la regularidad de los vientos. Además, los aerogeneradores son grandes y costosos.
2.3.5.4. ENERGÍA SOLAR.
Asimismo es la que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente) procedente del Sol, donde ha sido generada por un proceso de fusión nuclear. El aprovechamiento de la energía solar se puede realizar de dos formas:
Conversión Térmica de alta temperatura (sistema fototérmico) y por Conversión Fotovoltaica (sistema fotovoltaico).
La conversión térmica de alta temperatura consiste en transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido.
Para calentar el líquido se emplean unos dispositivos llamados colectores.
La conversión fotovoltaica consiste en la transformación directa de la energía luminosa en energía eléctrica. Se utilizan para ello unas placas solares formadas por células fotovoltaicas (de silicio o de germanio).
Ventajas: Es una energía no contaminante y proporciona energía barata en países no industrializados.
Desventajas: Es una fuente energética intermitente, ya que depende del clima y del número de horas de Sol al año. Además, su rendimiento energético es bastante bajo.
2.3.5.5. ENERGÍA DE LA BIOMASA.
Por último, la energía de la biomasa es la que se obtiene de los compuestos orgánicos mediante procesos naturales. Con el término biomasa se alude a la energía solar, convertida en materia orgánica por la vegetación, que se puede recuperar por combustión directa o transformando esa materia en otros combustibles, como alcohol, metanol o aceite. También se puede obtener biogás, de composición parecida al gas natural, a partir de desechos orgánicos.
Ventajas: Es una fuente de energía limpia y con pocos residuos que, además son biodegradables. También, se produce de forma continua como consecuencia de la actividad humana.
Desventajas: Se necesitan grandes cantidades de plantas y, por tanto, de terreno. Se intenta "fabricar" el vegetal adecuado mediante ingeniería genética.
Su rendimiento es menor que el de los combustibles fósiles y produce gases, como el dióxido de carbono, que aumentan el efecto invernadero.
La presente investigación de acuerdo a lo objetivo esta es sustituida en la energía solar y la energía eólica.
2.3.6. FUENTES DE ENERGÍA NO RENOVABLES.
Según el autor, son aquellas que se encuentran de forma limitada en el planeta y cuya velocidad de consumo es mayor que la de su regeneración.
Existen varias fuentes de energía no renovables, como lo son los Combustibles Fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y la Energía Nuclear (fisión y fusión nuclear).
2.3.6.1. COMBUSTIBLES FÓSILES.
Continuando con lo expresado son sustancias originadas por la acumulación, hace millones de años, de grandes cantidades de restos de seres vivos en el fondo de lagos y otras cuencas sedimentarias.
(A). EL CARBÓN.
Asimismo, es una sustancia ligera, de color negro, que procede de la fosilización de restos orgánicos vegetales. Existen 4 tipos: antracita, hulla, lignito y turba. El carbón se utiliza como combustible en la industria, en las centrales térmicas y en las calefacciones domésticas.
(B).EL PETRÓLEO.
Por su parte, es el producto de la descomposición de los restos de organismos vivos microscópicos que vivieron hace millones de años en mares, lagos y desembocaduras de ríos. Se trata de una sustancia líquida, menos densa que el agua, de color oscuro, aspecto aceitoso y olor fuerte, formada por una mezcla de hidrocarburos (compuestos químicos que sólo contienen en sus moléculas carbono e hidrógeno).
El petróleo tiene, hoy día, muchísimas aplicaciones, entre ellas: gasolinas, gasóleo, abonos, plásticos, explosivos, medicamentos, colorantes, fibras sintéticas, etc. De ahí la necesidad de no malgastarlo como simple combustible. Se emplea en las centrales térmicas como combustible, en el transporte y en usos domésticos.
(C). EL GAS NATURAL.
Con respecto, tiene un origen similar al del petróleo y suele estar formando una capa o bolsa sobre los yacimientos de petróleo. Está
compuesto, fundamentalmente, por metano (CH4). El gas natural es un buen sustituto del carbón como combustible, debido a su facilidad de transporte y elevado poder calorífico y a que es menos contaminante que los otros combustibles fósiles.
2.3.6.2. ENERGÍA NUCLEAR.
El autor señala que la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión.
(A). ENERGÍA DE FISIÓN NUCLEAR.
Vinculado al concepto, la energía nuclear de fisión se obtiene al bombardear, con neutrones a gran velocidad, los átomos de ciertas susta ncias; algunos de estos neutrones alcanzan el núcleo atómico y lo rompen en dos partes. Se libera una gran cantidad de energía y algunos neutrones. Estos neutrones pueden chocar contra otros núcleos, que se romperán produciendo más energía y más neutrones que chocarán contra otros núcleos. Esto es una reacción en cadena.
Para que esta reacción en cadena se produzca, es necesario usar sustancias que se desintegren fácilmente, es decir, sustancias radiactivas.
Estas sustancias son muy peligrosas para el hombre si no se manejan con las precauciones adecuadas.
Ventajas: Pequeñas cantidades de combustible producen mucha energía y las reservas de materiales nucleares son abundantes.
Desventajas: Las centrales nucleares generan residuos de difícil eliminación. El peligro de radiactividad exige la adopción de medidas de seguridad y control que resultan muy costosas.
(B).ENERGÍA DE FUSIÓN NUCLEAR.
Sin embargo, la energía nuclear de fusión será, probablemente, la fuente de energía del futuro. Es la misma reacción que produce la energía en las estrellas. El calor y la luz que nos llegan del Sol se producen en reacciones de fusión nuclear.En la fusión nuclear se unen átomos pequeños para formar otros de mayor tamaño. En el proceso se liberan grandes cantidades de energía, mucho mayores que en la fisión.
La sustancia más adecuada para fusionarse es el hidrógeno o alguno de sus isótopos para dar lugar a helio. La más adecuada es la fusión entre deuterio (hidrógeno2) y tritio (hidrógeno3).
Ventajas: No produce residuos radiactivos y el hidrógeno es muy abundante en la naturaleza.
Desventajas: Para iniciar la reacción hace falta una temperatura de 100 millones de grados centígrados. Conseguir esta temperatura es muy difícil aunque se ha podido alcanzar durante breves instantes con potentes rayos láser.
2.3.7. ENERGÍA FOTOVOLTAICA
Por su parte Altamirano define (2008, p. 11), que la energía solar fotovoltaica se basa en la captación de energía solar y su transformación en
energía eléctrica por medio de celdas fotovoltaicas cuyo funcionamiento se fundamenta en el efecto fotoeléctrico, es decir, en la conversión de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica. Consiste en la captación de la energía radiante procedente del sol, equivalente a 3,8 E20 MW. Es emitida por su superficie a la temperatura de 13 millones de grados (producida por las fusiones de átomos de Hidrógeno para formar Helio).
De este modo, esta energía se transmite por el espacio en forma de fotones de luz, los cuales atraviesan la atmósfera terrestre perdiendo parte de su energía por los impactos con la misma. Esta pérdida de energía será función de la distancia que recorre (latitud y altitud del sol) y del tipo de atmósfera que atraviesen (clara o nublada) hasta alcanzar la superficie de la Tierra.
Cuando fotones de un determinado rango de energía chocan con átomos de ciertos materiales semiconductores (el Silicio es el más representativo) les ceden su energía produciendo un desplazamiento de electrones que es en definitiva una corriente eléctrica. Los fotones se caracterizan por su energía y su longitud de onda (que forman lo que se llama espectro solar).Solo una parte de este espectro (que depende del material semiconductor) es aprovechada para el desplazamiento de los electrones.
2.3.7.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.
Según la Universal Technical Standard for Solar Home Systems. (1998, p.9), estos son sistemas que generalmente responden a un esquema común
que comprende los siguientes componentes:
• Un generador fotovoltaico compuesto por uno o más módulos fotovoltaicos, los cuales están interconectados para conformar una unidad generadora de corriente continua, CC.
• Una batería de plomo-ácido compuesta de varios vasos, cada uno de 2 V de voltaje nominal.
• Un regulador de carga para prevenir excesivas descargas o sobrecargas de la batería.
• Las cargas corriente continua o corriente alterna (agregar un inversor)
• El cableado (cables, interruptores y cajas de conexión)
Esta clasificación es útil a efectos de presentación, y puede ser utilizada de un modo general. El término batería puede usarse para referirse no solamente a sí misma, sino al contenedor, los conectores, etc. La calidad de un sistema fotovoltaico en particular puede ser juzgada en términos de confiabilidad, comportamiento energético, seguridad, facilidad de uso y simplicidad de la instalación y mantenimiento. En grandes programas de electrificación, es importante que los sistemas tengan la capacidad de operar con diferentes componentes y tamaños.
Asimismo la Universal Technical Standard for Solar Home Systems (1998, p.10) la confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos, en el sentido de ausencia de fallos, depende no solamente de la confiabilidad de sus componentes, sino también de otras características del sistema que pueden afecta r directamente a la vida útil de las baterías y lámparas, como tamaño,
umbrales de tensión del regulador de carga, calidad de la instalación. Todos los componentes del sistema deben satisfacer requisitos similares de calidad y confiabilidad, si hubiera un único componente defectuoso en un sistema que en caso contrario se consideraría “perfecto”, ese componente limitaría la calidad del sistema como un todo.
(A).TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.
En este contexto la Cein, S.A. (2004, p.12), una instalación fo tovoltaica tiene como objetivo producir electricidad a partir de la energía solar. La energía solar fotovoltaica tiene multitud de aplicaciones, desde la aeroespacial hasta juguetes pasando por las calculadoras y la producción de energía a gran escala para el consumo en general o a pequeña escala para consumo en pequeñas viviendas.
Principalmente se diferencian dos tipos de instalaciones: las de conexión a red, donde la energía que se produce se utiliza íntegramente para la venta a la red eléctrica de distribución, y las aisladas de red, que se utilizan para autoconsumo, ya sea una vivienda aislada, una estación repetidora de telecomunicación, una baliza de señalización en el mar, etc. A continuación se explicará cada una por separado:
a).INSTALACIONES AISLADAS DE RED.
Con respecto a lo anterior mencionado la Cein, S.A. (2004, p.12), estas instalaciones se utilizan para electrificación de viviendas y edificios,
alumbrado público, aplicaciones agropecuarias y ganaderas, bombeo y tratamiento del agua, antenas de telefonía aisladas de la red, etc.
Están compuestas por los paneles solares, el regulador de carga y una batería; ésta sería la configuración básica, en la que el consumo sería en corriente continua. Otra configuración básica es el bombeo solar, compuesto por los paneles, un pequeño equipo y la bomba, en el que se bombea agua cuando hay sol, no necesitando baterías. La configuración más utilizada en viviendas es la que lleva paneles, regulador de carga, baterías e inversor, para convertir la energía acumulada en las baterías en corriente alterna.
b).INSTALACIONES DE CONEXIÓN A RED.
Por otra parte, estas instalaciones se pueden realizar en cualquier lugar que disponga de conexión a la red de distribución. Se pueden instalar en el tejado de una vivienda o nave industrial, azotea plana, en el suelo sobre estructura fija, en el suelo igualmente, pero en una estructura móvil que sigue al sol, aumentando de esta forma la producción; también se instalan en zonas rurales donde se pueden agrupar varios usuarios para realizar varias conexiones y fomentar la producción de energía de origen no fósil.
2.3.7.2 GENERADOR FOTOVOLTAICO.
Establece Leonardo-Energy. (2004, p. 4), los generador fotovoltaico convierten la luz solar directamente en electricidad, mediante el uso de lo que es conocido como “células solares”. Una célula solar está hecha de material
semiconductor dispuesto en dos capas: P y N (ver figura 7). Cuando la radiación del sol incide en la célula fotovoltaica en forma de luz solar, la línea de separación entre P y N actúa como un diodo. Los fotones con suficiente energía que inciden en la célula provocan que los electrones pasen de la capa P a la capa N. Un exceso de electrones se acumula en el lado N mientras que en el lado P se produce un déficit.
La diferencia entre la cantidad de electrones es la diferencia de potencial o voltaje, que puede ser usado como una fuente de energía. Con tal de que la luz siga incidiendo en el panel, la diferencia de potencial se mantiene, incluso en días nublados, debido a la radiación difusa de luz.
Figura 7: Vista General Esquemática del Proceso en una Célula Fotovoltaica
Fuente: Leonardo-Energy. (2004)
2.3.7.3. BATERÍA.
En primer termino Leonardo-Energy (2004, p. 9), los sistemas fotovoltaicos con baterías de almacenamiento están especialmente indicados en zonas donde no hay oferta de suministro eléctrico disponible o bien éste no es
fiable. La capacidad de almacenar la energía eléctrica generada por el sistema fotovoltaico, lo hace una fuente de energía fiable ya sea de día o de noche, llueva o haga sol. Los sistemas fotovoltaicos con baterías pueden ser diseñados para alimentar equipos que utilicen corriente continua o alterna.
Las personas que usan equipos convencionales de corriente alterna, deben añadir un inversor entre las baterías y la carga. Los sistemas fotovoltaicos con baterías de almacenamiento se utilizan en todo el mundo para suministrar electricidad a luces, sensores, aparatos de grabación, interruptores, electrodomésticos, teléfonos y televisores.
2.3.7.4 INVERSOR DC/AC.
De igual forma, las células fotovoltaicas y módulos generan corriente continua (CC). Dado que la mayoría de los electrodomésticos usan corriente alterna (CA), el inversor se usa para convertir la corriente continua en alterna, adecuando también la frecuencia y la tensión a la red local.
Los inversores para aplicaciones fotovoltaicas incluyen funciones de control para optimizar la potencia de salida, a la que nos referiremos como MPPT (maxium power point tracking). La potencia de salida es igual a la tensión multiplicada por la corriente (P=V x I), y la función MPPT continuamente ajusta la impedancia de la carga para garantizar la potencia óptima.
En el pasado, se utilizaba un único inversor para una matriz o sistema fotovoltaico completo, actualmente en la práctica común es instalar un
inversor por cada línea de módulos, o incluso dotar a cada módulo de su propio inversor, un proceso al que también nos referimos como crear
“módulos CA”.
Para reducir las pérdidas entre los paneles fotovoltaicos y el inversor, se recomienda que éste se sitúe lo más cerca posible de dichos paneles.
Además, asegúrese de que dicho inversor está suficientemente refrigerado y no lo exponga a la luz solar directa.
2.3.8. ENERGÍA EÓLICA.
Plantea de acuerdo a Sneij. J y Velo. E (2003, p.1), la energía eólica, al igual que otros recursos renovables, se encuentra abundantemente disponible en el planeta, pero de manera dispersa y variable. Esta energía fue ampliamente utilizada antes de la revolución industrial, pero más tarde quedó desplazada por el uso de los combustibles fósiles debido a los bajos costes y a la mayor fiabilidad de los sistemas.
La crisis energética de los años 70 promovió un renovado interés por las tecnologías eólicas, estableciendo una nueva generación de dichos sistemas.
Las funciones principales en los que se pueden clasificar son:
• Generación de electricidad conectada a red
• Suministro energético en áreas aisladas
• Bombeo directo de agua
2.3.8.1. TIPOS DE AEROGENERADORES.
Según el estudio de OPEXenergy (2009). el eje del rotor se clasifica de la siguiente manera:
(A). EJE VERTICAL.
Sus principales ventajas son que no necesita un sistema de orientación al ser omnidireccional y que el generador, multiplicador, etc., son instalados a ras de suelo, lo que facilita su mantenimiento y disminuyen sus costes de montaje. Sus desventajas frente a otro tipo de aerogeneradores son sus menores eficiencias, la necesidad de sistemas exteriores de arranque en algunos modelos, y que el desmontaje del rotor por tareas de mantenimiento hace necesaria que toda la maquinaria del aerogenerador sea desmontada.
Aerogenerador con rotor Savonius, es el modelo más simple de rotor, consiste en cilindros huecos desplazados respecto su eje, de forma que ofrecen la parte cóncava al empuje del viento, ofreciendo su parte convexa una menor resistencia al giro. Se suele mejorar su diseño dejando un espacio entre ambas caras para evitar la sobre presión en el interior de la parte cóncava. Pueden construirse superponiendo varios elementos sobre el eje de giro.
No son útiles para la generación de electricidad debido a su elevada resistencia al aire. Su bajo coste y fácil construcción les hace útiles para aplicaciones mecánicas.
Figura 8: Aerogenerador Tipo Savonius.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Aerogenerador con rotor Darrieus, Patentado por G.J.M. Darrieus en 1931, es el modelo de los aerogeneradores de eje vertical de más éxito comercial.
Consiste en un eje vertical asentado sobre el rotor, con dos o más finas palas en curva unidas al eje por los dos extremos, el diseño de las palas es simétrico y similar a las alas de un avión, el modelo de curva utilizado para la unión de las palas entre los extremos del rotor es el de Troposkien, aunque puede utilizarse también catenarias. Evita la necesidad de diseños complejos en las palas como los necesarios en los generadores de eje horizontal, permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, aunque sin alcanzar las generadas por los modelos de eje horizontal, pero necesita de un sistema externo de arranque.
Figura 9: Aerogenerador Tipo Darrieus.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Aerogenerador con rotor Giromill, este tipo de generadores también fueron patentados por G.J.M. Darrieus. Consisten en palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales, que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central. Las palas verticales cambian su orientación a medida que se produce el giro del rotor para un mayor aprovechamiento de la fuerza del viento.
Figura 10: Aerogenerador Tipo Giromill.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Aerogenerador con rotor Windside, es un sistema similar al rotor Savonius, en vez de la estructura cilíndrica para aprovechamiento del viento, consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical. La principal diferencia frente a otros sistemas de eje vertical es el aprovechamiento del concepto aerodinámico, que le acerca a las eficiencias de los aerogeneradores de eje horizontal.
Figura 11: Aerogenerador Tipo Windside.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
(B). EJE HORIZONTAL.
En la actualidad la gran mayoría de los aerogeneradores que se construyen conectados a red son tripalas de eje horizontal. Los aerogeneradores horizontales tienen una mayor eficiencia energética y alcanzan mayores velocidades de rotación por lo que necesitan caja de engranajes con menor relación de multiplicación de giro, además debido a la construcción elevada sobre torre aprovechan en mayor medida el aumento de la velocidad del viento con la altura.
Los modelos de eje horizontal puede subdividirse a su vez por el número de palas empleado, por la orientación respecto a la dirección dominante del viento y por el tipo de torre utilizada:
Tripala, es el más empleado en la actualidad, consta de 3 palas colocadas formando 120º entre sí. Un mayor número de palas aumenta el peso y coste del aerogenerador, por lo que no se emplean diseños de mayor numero de
palas para fines generadores de energía de forma comercial, aunque sí para fines mecánicos como bombeo de agua etc.
Figura 12: Aerogenerador Tipo Tripala.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Bipala, ahorra el peso y coste de una de las palas respecto a los aerogeneradores tripala, pero necesitan mayores velocidades de giro para producir la misma energía que aquellos. Para evitar el efecto desestabilizador necesitan de un diseño mucho mas complejo, con un rotor basculante y amortiguadores que eviten el choque de las palas contra la torre.
Figura 13: Aerogenerador Tipo Bipala.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Monopala, tienen, en mayor medida, los mismo inconvenientes que los bipala, necesitan un contrapeso en el lado opuesto de la pala, por lo que el ahorro en peso no es tan significativo.
Figura 14: Aerogenerador Tipo Monopala.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Orientadas a barlovento, cuando el rotor se encuentra enfocado de frente a la dirección del viento dominante, consigue un mayor aprovechamiento de la fuerza del viento que en la opción contraria o sotavento, pero necesita un mecanismo de orientación hacia el viento. Es el caso inmensamente preferido para el diseño actual de aerogeneradores.
Figura 15: Aerogenerador Tipo Barlovento.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Orientadas a sotavento, cuando el rotor se encuentra enfocado en sentido contrario a la dirección del viento domina nte, la estructura de la torre y la góndola disminuye el aprovechamiento del viento por el rotor, en este caso el viento es el que orienta con su propia fuerza a la góndola, por lo que no son necesarios elementos de reorientación automatizada en la teoría, aunque si suelen utilizarse como elemento de seguridad. Las palas y la góndola son construidos con una mayor flexibilidad que en el caso de orientadas a barlovento.
Figura 16: Aerogenerador Tipo Sotavento.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Torres de celosía, son las construidas mediante perfiles de acero unidos mediante tornillería, son muy baratas y fáciles de construir pero necesitan de verificaciones periódicas de la correcta sujeción de los segmentos de acero entre sí.
Estos necesitan un emplazamiento extra para la instalación de los equipos de suelo como sistemas de control o equipos eléctricos, el acceso a la góndola se realiza por escalerillas exteriores de baja protección frente a
fuertes vientos y condiciones climáticas adversas. No se utilizan en zonas geográficas septentrionales o para aerogeneradores de gran potencia.
Figura 17: Aerogenerador Tipo Torre de Celosia.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
Torres tubulares, consisten en grandes tubos de acero de forma tubular o cónica que ofrecen en su interior espacio para los equipos de suelo y para el acceso a resguardo hacia la góndola. Necesitan de una instalación más laboriosa y cara, pero ofrecen una mayor resistencia y menos mantenimiento necesario que las torres de celosía. Son las más empleadas en equipos de generación de energía.
Figura 18: Aerogenerador Tipo Torre Tubular.
Fuente: Servicios OPEXenergy en Parques Eólicos (2009).
(C).SEGÚN POTENCIA SUMINISTRADA.
Equipos de baja potencia, históricamente son los asociados a utilización mecánica como bombeo del agua, proporcionan potencias alrededor del rango de 50 KW, aunque pueden utilizarse varios equipos adyacentes para aumentar la potencia total suministrada. Hoy en día siguen utilizá ndose como fuente de energía para sistemas mecánicos o como suministro de energía en equipos aislados.
También se utilizan en grupo y junto con sistemas de respaldo como motores de gasolina para suministro de energía de zonas rurales o edificios, ya sea conectándose a red o con bacterias para almacenar la energía producida y garantizar la continuidad de la cobertura energética.
Equipos de media potencia, son los que se encuentran en el rango de producción de energía de 150 KW. Son utilizados de forma similar a los equipos de baja potencia pero para mayores requerimientos energéticos. No suelen estar conectados a baterías de almacenamiento, por lo que se utilizan conectados a red o junto con sistemas de respaldo.
Equipos de alta potencia: Son los utilizados para producción de energía de forma comercial, aparecen conectados a red y en grupos conformando centrales eoloeléctricas, ya sea en tierra como en entorno marino (offshore).
Su producción llega hasta el orden del gigavatio. El diseño elegido mayoritariamente para estos equipos son los aerogeneradores de eje horizontal tripalas, orientados a barlovento y con torre tubular.
2.4. CANALIZACIONES ELÉCTRICAS RESIDENCIALES.
Indico así mismo Penissi. (2005, p.1),que la palabra canalización significa la acción o efecto de canalizar, y por esta acción, se entiende el hecho de abrir canales, conducir o regularizar el paso de un fluido. En este caso el fluido de interés es la corriente eléctrica, la cual será conducida y llevada a los sitios requeridos para su utilización y aprovechamiento final. La vía de circulación normal de la corriente eléctrica es a través de conductores eléctricos, formados por metales y aleaciones especiales de cobre o aluminio. Estos forman una instalación eléctrica, la cual deberá ofrecer seguridad, eficiencia, economía y accesibilidad para poder realizar sin dificultades labores de operación y mantenimiento.
Con el objeto de establecer lineamientos de diseño para lograr una canalización eléctrica, y considerando que existe una' gran variedad de criterios en el campo de los proyectos, se establecerá una metodología, que pueda ser utilizada con facilidad sirviendo de modelo para Venezuela, utilizando materiales y equipos que se producen en el país, o bien que sean de fácil localización en el mercado nacional.
2.4.1. NORMALIZACIÓN DE LOS PROYECTOS DE CANALIZACIONES.
Queda demostrado con el fin de que todas las instalaciones eléctricas que se diseñen y construyan en Venezuela cumplan con las condiciones mínimas de seguridad, tanto para las personas como para los bienes materiales, se ha
elaborado el CÓDIGO ELÉCTRICO NACIONAL (CEE) que rige los lineamientos de toda obra eléctrica.
Asimismo es importante destacar que el CEE no es un manual de diseño, sino un manual de seguridad; los valores que en él figuran, son los mínimos que garantizan la salvaguardia deseada en las instalaciones eléctricas, para proteger vidas y bienes materiales.
El código eléctrico nacional en su contenido establece lo siguiente:
a) Reglas para el diseño de canalizaciones eléctricas, tamaño y calibre de tuberías y conductores, así como también las especificaciones relativas a los diferentes dispositivos de protección.
b) Reglas para las especificaciones de construcción de las instalaciones eléctricas en general, y todo lo concerniente al montaje de maquinarias y equipos eléctricos.
c) Reglas elaboradas específicamente para los fabricantes de materiales, equipos y maquinarias eléctricas que se producen en el país o bien que son de uso local, aunque sea de importación.
Con respecto al Código Eléctrico Nacional define claramente, según el tipo de carga, los criterios que deberán asumirse para la adecuada estimación de la misma; conforme con esto, se indican a continuación los términos a utilizar en el estudio de carga.
Una canalización eléctrica residencial consta de los siguientes elementos:
Postes: son elementos dentro de la estructura de los sistemas de distribución, cuya función es de servir de soporte para las líneas de
distribuciones aéreas, de la misma forma que los sistemas de transformación residencial o industrial.
Acometida de Baja Tensión: es la parte de la instalación de enlace que une la red de distribución por medio de los transformadores a los módulos de medición y protección. Éstos son propiedad de la empresa que suministra la electricidad y suele haber una por cada edificación. La acometida de una vivienda puede ser monofásica 2 hilos en 120V, monofásica 3 hilos 120/240V, trifásica de 4 hilos 120/208V, conforme a las necesidades y características de la carga instalada en la vivienda. Medidores de Consumo
Eléctrico: es un dispositivo que mide el consumo de energía eléctrica de un circuito o un servicio eléctrico, siendo ésta la aplicación usual. Existen medidores electromecánicos y electrónicos.
• Medidores Electromecánicos: utilizan bobinados de corriente y de tensión para crear corrientes parásitas en un disco que, bajo la influencia de los campos magnéticos, produce un giro que mueve las agujas de la carátula.
• Medidores Electrónicos: utilizan convertidores analógico-digitales para hacer la conversión, son conocidos también como contador eléctrico.
Conductores de Acometidas: son los conductores de alimentación entre el alimentador principal (de la calle o desde el transformador), hasta el equipo de acometida de la propiedad que alimentan; son conocidos también como cable de acometidas. se refieren a dimensiones, proceso de fabricación y controles de calidad que deben cumplir.
3. SISTEMA DE VARIABLE.
La presente investigación esta conformada por la variable sistema automatizado que se definen a continuación.
3.1. DEFINICION NOMINAL.
Sistema automatizado
3.2. DEFINICION CONCEPTUAL
SISTEMA AUTOMATIZADO: plantea Rodríguez (2007, p. 231), el sistema automatizado es aquel que consta de 2 partes la de mando y la operativa.
La parte operativa es la que actúa directamente sobre la maquina son los elementos que hacen que la maquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las maquinas de las maquinas como motores, cilindros, compresores y los captadores como foto diodos, finales de carrera, etc.
La parte de mando, suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los contribuyentes del sistema automatizado.
3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL
• SISTEMA AUTOMATIZADO: Operacionalmente se puede decir que el sistema automatizado permitirá evaluar el proceso de control y monitoreo apropiado tanto de el sistema Eólico, sistema Solar, almacenamiento del banco de batería y consumo de la vivienda, de tal forma que esta energía sea almacena y suministrada de la forma más controlada, permitiendo el buen funcionamiento del generador eléctrico (Eólico-Solar) a elaborar por medio de un PLC (Controlador lógico programable).
