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Análisis de la viabilidad para implementar un sistema integrado en el Valle del Mezquital, un estudio de caso: Parque Eco turístico Madho Corrales

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Academic year: 2020

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(2) Contenido Introducción .................................................................................................................................................. 7 Antecedentes ............................................................................................................................................ 7 Objetivos ................................................................................................................................................... 8 Objetivo general .................................................................................................................................... 8 Objetivos específicos ............................................................................................................................. 8 Justificación ............................................................................................................................................... 9 Alcance .................................................................................................................................................... 10 Capítulo I Marco Teórico Referencial .......................................................................................................... 12 I.1 Introducción ....................................................................................................................................... 13 I.2 Teorías fundamentales ....................................................................................................................... 14 I.2.1 Teoría de los semiconductores.................................................................................................... 14 I.3 Energía solar ....................................................................................................................................... 18 I.3.1 Constante solar............................................................................................................................ 19 I.3.2 Masa de aire ................................................................................................................................ 21 I.3.3 Componentes de la radiación solar ............................................................................................. 22 I.3.4 Horas Pico del Sol (HPS) .............................................................................................................. 22 I.4 Celdas fotovoltaicas............................................................................................................................ 23 I.5 Potencial en México ........................................................................................................................... 25 I.6 Principios del magnetismo ................................................................................................................. 25 I.6.1 Electricidad y magnetismo .......................................................................................................... 26 I.6.2 Carga que eléctrica que objetos mediante inducción ................................................................. 26 I.6.3 El campo eléctrico ....................................................................................................................... 27 I.6.4 Diferencia de potencial y potencial eléctrico .............................................................................. 28 I.6.5 Campos y fuerzas magnéticas ..................................................................................................... 29 I.6.6 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente .............................. 30 I.6.7 Leyes de inducción de Faraday.................................................................................................... 30 I.7 Energía Eólica (EE) .............................................................................................................................. 31 I.7.1 ¿Cómo se produce? ..................................................................................................................... 31 I.7.2 Futuro en México de la EE ........................................................................................................... 33.

(3) I.8 Energía Hidráulica (EH) ....................................................................................................................... 33 I.8.1 Principio de generación ............................................................................................................... 34 I.8.2 Futuro en México de la EH .......................................................................................................... 35 Capítulo II Metodología de la investigación ................................................................................................ 36 II.1 Planteamiento del problema............................................................................................................. 37 II.2 Delimitación ...................................................................................................................................... 38 II.3 Formulación del problema de investigación ..................................................................................... 41 II.4 Objetivos............................................................................................................................................ 42 II.4.1 Objetivo general ......................................................................................................................... 42 II.4.2 Objetivos específicos .................................................................................................................. 42 II.5 Metodología ...................................................................................................................................... 43 II.5.1 Cuantitativa ................................................................................................................................ 43 II.5.2 Cualitativa ................................................................................................................................... 44 II.6 Mapa de investigación....................................................................................................................... 46 Capítulo III Análisis de las condiciones para la implementación del Sistema de Energías Renovables en el Valle del Mezquital ...................................................................................................................................... 47 III.1 Introducción ..................................................................................................................................... 48 III.2 Energía Solar ..................................................................................................................................... 48 III.2.1 Irradiancia NASA ........................................................................................................................ 48 III.2.2 Irradiancia Observatorio de Radiación Nacional UNAM ........................................................... 49 III.2.3 Irradiancia en el estado de Hidalgo ........................................................................................... 52 III.2.3.1 Irradiancia en el valle del mezquital....................................................................................... 52 III.3 Energía Eólica ................................................................................................................................... 53 III.3.1 Velocidad del viento Meteorológico Nacional (CONAGUA) ...................................................... 53 III.3.2 Velocidad del viento en el valle del mezquital .......................................................................... 56 III.4 Energía Hidráulica............................................................................................................................. 57 III.4.1 Cuencas y ríos en el valle del mezquital .................................................................................... 57 III.4.2 Desarrollo Hidroeléctrico en el valle del mezquital .................................................................. 58 Capítulo IV Estudio de caso Madho Corrales .............................................................................................. 59 IV.1 Introducción ..................................................................................................................................... 60 VI.2 Descripción del caso ......................................................................................................................... 60.

(4) IV.2.1 Filosofía organizacional ............................................................................................................. 62 IV.3 Caracterización del Sistema Fotovoltaico (SF) ................................................................................. 64 IV.3.1 Perfil de cargas .......................................................................................................................... 64 IV.4 Sistema fotovoltaico (SF).................................................................................................................. 65 IV.4.1 Módulos fotovoltaicos .............................................................................................................. 65 IV.4.2 Acumuladores ........................................................................................................................... 66 IV.4.3 Controlador de carga ................................................................................................................ 68 IV.4.4 Inversor ..................................................................................................................................... 69 IV.5 Sistema eólico .................................................................................................................................. 70 IV.5.1 La importancia del régimen de viento ...................................................................................... 70 IV.5.2 Instalaciones de baja potencia .................................................................................................. 71 IV.5.3 Fundamentos aerodinámicos.................................................................................................... 71 IV.5.4 Rendimiento aerodinámico....................................................................................................... 72 IV.5.5 Caracterización del Sistema Eólico ............................................................................................ 73 IV.6 Sistema Hidráulico............................................................................................................................ 76 IV.6.1 Introducción .............................................................................................................................. 76 IV.6.2 Concepto de fluido .................................................................................................................... 76 IV.6.3 El fluido como medio continúo ................................................................................................. 76 IV.6.4 Propiedades del campo de velocidades .................................................................................... 76 IV.6.5 Descripción euleriana y lagrangiana ......................................................................................... 77 IV.6.6 Propiedades termodinámicas de los fluidos ............................................................................. 77 IV.6.7 Descripción del flujo .................................................................................................................. 77 IV.6.8 Flujo viscoso en conductos........................................................................................................ 78 IV.6.9 Flujo el conductor circulares ..................................................................................................... 78 IV.6.10 Caracterización del Sistema Hidráulico ................................................................................... 79 IV.6.11 Componentes .......................................................................................................................... 79 IV.6.12 Cotización ................................................................................................................................ 82 IV.7 Sistema integrado ............................................................................................................................ 83 IV.7.1 Introducción .............................................................................................................................. 83 IV.7.2 Crear un nuevo archivo HOMER ............................................................................................... 83.

(5) IV.7.3 Construir el esquema ................................................................................................................ 84 IV.7.4 Introduzca los datos de carga ................................................................................................... 86 IV.7.5 Introduzca los detalles de componentes .................................................................................. 88 IV.7.6 Introduzca los detalles de los recursos ..................................................................................... 91 IV.7.7 Compruebe las entradas y corregir errores .............................................................................. 95 IV.7.8 Examinar los resultados de la optimización .............................................................................. 97 IV.7.9 Afinar el diseño del sistema ...................................................................................................... 98 IV.7.10 Añadir las variables de sensibilidad ........................................................................................ 99 IV.7.11 Examinar los resultados del análisis de sensibilidad ............................................................. 100 Resultados ................................................................................................................................................. 102 Conclusiones.............................................................................................................................................. 125 Bibliografía................................................................................................................................................. 126 Anexos ....................................................................................................................................................... 129. Índice de Gráficas, Tablas e Ilustraciones Gráfica 1 Rendimiento ............................................................................................................................. 73 Gráfica 2 Horas Pico Madho ................................................................................................................. 107 Gráfica 3 Horas de insolación............................................................................................................... 107 Gráfica 4 Horas de insolación............................................................................................................... 108 Gráfica 5 Horas de Insolación .............................................................................................................. 108 Gráfica 6 Picos de consumo ................................................................................................................. 111 Gráfica 7 Picos de consumo ................................................................................................................. 113. Tabla 1 Longitud de onda........................................................................................................................ 19 Tabla 2: Horas de Insolación Observatorio de Radiación Nacional (UNAM).................................. 51 Tabla 3 Insolación global en Hidalgo..................................................................................................... 52 Tabla 4 Irradiancia en el valle del mezquital ........................................................................................ 52 Tabla 5 Velocidades del viento............................................................................................................... 54 Tabla 6 Velocidades del viento en Ixmiquilpan .................................................................................... 56 Tabla 7 Perfil de cargas ........................................................................................................................... 64.

(6) Tabla 8 Cálculo de paneles solares....................................................................................................... 66 Tabla 9 Cálculo de baterías .................................................................................................................... 68 Tabla 10 Cálculo del regulador de carga .............................................................................................. 69 Tabla 11 Cálculo del inversor ................................................................................................................. 70 Tabla 12 Velocidades del viento ............................................................................................................ 74 Tabla 13 Cotización 60Kw....................................................................................................................... 82 Tabla 14 Horas Pico Madho ................................................................................................................. 106 Tabla 15 Irradiancia en Madho ............................................................................................................. 109 Tabla 16 Cálculo de Insolación ............................................................................................................ 110 Tabla 17 perfil de cargas zona de cabañas ....................................................................................... 111 Tabla 18 Cotización sistema Cabañas ................................................................................................ 112 Tabla 19 Perfil de cargas zona Restaurant ........................................................................................ 113 Tabla 20 Cotización zona restaurant ................................................................................................... 114 Tabla 21 Perfil de cargas zona pesca ................................................................................................. 115 Tabla 22 Cotización zona pesca .......................................................................................................... 115 Tabla 23 Velocidades del viento .......................................................................................................... 120. Ilustración 1 Bandas de energía............................................................................................................. 17 Ilustración 2 Unión p-n ............................................................................................................................. 18 Ilustración 3 Ángulo del sol ..................................................................................................................... 20 Ilustración 4 Energía en la superficie terrestre .................................................................................... 21 Ilustración 5 Tipos de radiación .............................................................................................................. 22 Ilustración 6 Horas Pico ........................................................................................................................... 23 Ilustración 7 Principio fotovoltaico .......................................................................................................... 24 Ilustración 8 Campos magnéticos .......................................................................................................... 26 Ilustración 9 Inducción magnética .......................................................................................................... 27 Ilustración 10 Campo eléctrico ............................................................................................................... 28 Ilustración 11 Parque Eólico ................................................................................................................... 32 Ilustración 12 Despiece de aerogenerador........................................................................................... 33 Ilustración 13 Energía Hidráulica ........................................................................................................... 34 Ilustración 14 Macrolocalización de Parque Eco-turístico Madho Corrales .................................... 39 Ilustración 15 Ubicación Parque Eco-turístico Madho-Corrales........................................................ 39 Ilustración 16 Fotografías de Madho ..................................................................................................... 40 Ilustración 17 Fotografías de Madho ..................................................................................................... 41 Ilustración 18 Ensamble del aerogenerador......................................................................................... 57 Ilustración 19 Micro localización de Madho Corrales.......................................................................... 61 Ilustración 20 Madho Corrales................................................................................................................ 61 Ilustración 21 Reuniones de trabajo ...................................................................................................... 63 Ilustración 22 Válvulas y Juntas ............................................................................................................. 80.

(7) Ilustración 23 Generador Eléctrico......................................................................................................... 80 Ilustración 24 Regulador Eléctrico ......................................................................................................... 81 Ilustración 25 Hoja de inicio .................................................................................................................... 84 Ilustración 26 Selección de recursos ..................................................................................................... 85 Ilustración 27 Perfil de cargas primera sección Madho ...................................................................... 87 Ilustración 28 Perfil de cargas segunda sección Madho .................................................................... 88 Ilustración 29 Costos................................................................................................................................ 89 Ilustración 30 Curva de costos ............................................................................................................... 91 Ilustración 31 Velocidad del viento en m/s en Madho ........................................................................ 93 Ilustración 32 Irradiancia en Madho....................................................................................................... 94 Ilustración 33 Caudal en l/s ..................................................................................................................... 95 Ilustración 34 Esquema del OFF Four Sensor ................................................................................... 103 Ilustración 35 Elaboración del sensor ................................................................................................. 104 Ilustración 36 Interfaz Novus computadora ........................................................................................ 104 Ilustración 37 OFF Four Sensor ........................................................................................................... 105 Ilustración 38: Desarrollo Eco turístico ................................................................................................ 116 Ilustración 39 Aerogenerador en Madho............................................................................................. 117 Ilustración 40 Analizando el equipo generador .................................................................................. 118 Ilustración 41 Revisión de las condiciones mecánicas ..................................................................... 119 Ilustración 42 Aerogenerador Eléctrico ............................................................................................... 121 Ilustración 43 Medición en RPM del aerogenerador ......................................................................... 122 Ilustración 44 Medición de voltaje generado ...................................................................................... 123 Ilustración 45 Prueba de velocidad del viento.................................................................................... 124.

(8) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Dedicatorias A Dios por darme otra oportunidad de vida. A mis Padres, les vuelvo a decir: Padres he cumplido. A mi familia, gracias por su tiempo. A mis hermanos: no es solo mío este logro, es de los tres. A mi Director de Tesis: Mtro. Oliver García Ramírez, gracias por confiar en mí. A la Empresa Madho Corrales, por permitirme hacer mi investigación. A la UTVM por todo su apoyo. A mi equipo de trabajo, gracias por compartir mis ideas. A todos mis amigos de las UT´s que me han acompañado en este desarrollo. Y a alguien muy especial que me cuida desde el cielo, Juanita.. A todos ustedes… Muchas gracias¡¡¡.. Isra.. 6.

(9) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Introducción Antecedentes El calentamiento global, para muchos un mito, una falacia, una falsedad pero para otros toda una realidad. Alemania, República Checa, Beijín, por mencionar algunos han sufrido la pérdida irreparable de muchos de sus recursos naturales causa del calentamiento global, en el continente americano no ha sido la excepción, países como Estados Unidos, Brasil y México también han sufrido encarecidamente por el calentamiento global en ciudades como el Distrito Federal donde la calidad del aire disminuye de manera alarmante. (Strenziok D. R., 2011) En los últimos años, como consecuencia del crecimiento de la población a nivel mundial, ha desencadenado una gran necesidad de energía para poder abastecer y satisfacer las necesidades que día a día son requeridas por la sociedad, por tal motivo el uso de los energéticos fósiles y sus derivados han acelerado de manera alarmante la contaminación y por causa: el calentamiento global. Actualmente el 85% de la población mundial utiliza como principal fuente de energía a los hidrocarburos y tan solo el 1.24% la energía solar. (Strenziok D. R., 2011) La energía fotovoltaica permite transformar en electricidad la radiación solar a través de células o placas solares. La electricidad producida puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio. La energía solar fotovoltaica puede tener numerosas aplicaciones. En el desarrollo de la energía fotovoltaica, la Universidad Tecnológica del Valle del Mezquital ha incursionado y contribuido, la creación del Programa Educativo de Energías Renovables es muestra de este avance; es de real importancia que el Programa Educativo de Administración y Evaluación de Proyectos incursionara también en este desarrollo tecnológico, muestra de ello son los siguientes proyectos: Lámparas de LED´s LEDs LIGHT con el cual llegamos a la fase final del concurso “Leamos la Ciencia para Todos” en el año 2012 y el Cargador Universal para Celulares el que presentamos ante el Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Hidalgo (COCITEH), expusimos los beneficios de contar con un dispositivo de estas características, con estos proyectos damos muestra de los alcances que hemos tenido en tan corto tiempo.. 7.

(10) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Objetivos. Objetivo general. A partir de la esencia de la investigación: cualitativa y cuantitativa se analiza las horas de irradiancia, la velocidad del viento y el caudal de agua de la presa, en miras de implementar un sistema integrado de generación de energía eléctrica, es por ello que se plantea el siguiente objetivo: analizar la factibilidad de implementar un Sistema Integrado que satisfaga las necesidades de energía eléctrica en Madho, trayendo la base de implementación de estos en el valle del mezquital. La consecuencia de probar las hipótesis será: el ahorro en el consumo de energía eléctrica suministrada por la red comercial a través de la utilización de sistemas fotovoltaicos, eólicos e hidráulicos en el Parque Eco-turístico Madho Corrales ubicado en el municipio de Alfajayucan, Hidalgo.. Objetivos específicos. En relación a la factibilidad de esta región se plantea lo siguiente:. 1.- Examinar las condiciones de irradiancia y las horas de insolación para detonar la implementación de Sistemas Fotovoltaicos (SFV) en la región. 2.- Determinar la velocidad del aire para maximizar e implementar Sistema Eólicos (SE) adecuados a la región. 3.- Hacer los cálculos pertinentes para implementar un Sistema Hidráulico (SH) en la región. 4.- Examinar un modelo que integre los tres tipos de generación de energía eléctrica en la región del caso de estudio.. 8.

(11) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Justificación. El campo de estudio de las energías renovables es estrecho, ya que se requiere conocer las condiciones climatológicas de la región donde se pretende implementar estos sistemas, esto es de vital relevancia. Los Sistemas Fotovoltaicos (SF) son en México sistemas ideales para la generación de energía eléctrica. Con una insolación media de 5 kWh/m2, el potencial en México es de los más altos del mundo. Se espera tener instalados 25 MW con tecnología fotovoltaica para 2013, y generar 14 GWh/año. La Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA, por sus siglas en inglés) presento en México su estudio Unlocking the Sunbelt potential of photovoltaics (Liberando el potencial de la energía fotovoltaica en el Cinturón Solar) en conjunto con la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES). El estudio, realizado en colaboración con la firma de consultoría de gestión estratégica A.T. Kearney y con el apoyo de la Alianza para la Electrificación Rural (ARE, por sus siglas en inglés) y la Asociación Española de la Industria Fotovoltaica (ASIF), concluye que la tecnología solar fotovoltaica está preparada para convertirse en una fuente de energía mayoritaria en los países del llamado Cinturón Solar (Sunbelt en inglés), situados entre las latitudes de ± 35° respecto al ecuador. En estos países, caracterizados por unos elevados niveles de radiación solar y, a menudo, altos precios en las tarifas eléctricas, la energía solar fotovoltaica (ESFV) presenta un potencial competitivo único y podría convertirse en una de las principales fuentes de energía antes del año 2020. México, en particular, se encuentra dentro del grupo de los seis países que presentan el mayor potencial para el uso de este tipo de energía. Su elevado índice de radiación solar y la flexibilidad de su mezcla energética permitirían, junto con el desarrollo de políticas que incentiven la utilización de la ESFV, la materialización integral del potencial de este país en los próximos 10 años. (Solar, 2013) La instalación de aporte de energía eléctrica puede dimensionarse para satisfacer la demanda requerida o bien ser un medio alternativo, empleando la de origen solar solo para aplicaciones de bajo consumo, por ejemplo en una vivienda, de este modo, la instalación tiene un dimensionamiento muy pequeño. Al tener una demanda mayor, según Tomás Perales (Tomás Perales, 2006) ya que la demanda de una potencia superior a la almacenada provoca el cambio a la conexión de la red convencional o a un sistema generador auxiliar.. 9.

(12) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Alcance El uso de las energías renovables se ha ido incrementado de manera paulatina debido a que el consumo de los energéticos fósiles ha disminuido, esto gracias al crecimiento de la mancha urbana en todo el mundo, el uso de la energía fotovoltaica en México tiene un gran potencial ya que geográficamente estamos ubicados en el llamado cinturón solar y por ello tenemos esa virtud. En el desarrollo de esta investigación planteo el problema de la contaminación por gases de efecto invernadero y lo aterrizo en la generación de energía eléctrica generada a partir de la quema de energéticos fósiles que es requerida por los desarrollos eco turísticos, el caso en particular el Parque Madho Corrales, siendo la solución para disminuir estos la implementación de las ER. Planteo varios objetivos: desde la valoración de la carga eléctrica de este desarrollo así como la validación de las horas de insolación que existen en este lugar, planteo también la posibilidad de utilizar energía eólica e hidráulica ya que cuenta con un presa que tira un caudal constante de 1.2m3/s. Estos análisis me llevan a las siguientes preguntas: ¿La contaminación generada por la quema de combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica que es requerida por usuarios rurales como el Parque Eco-turístico Madho Corrales representa altos costo y daña a la región? y ¿La utilización del software HOMER es adecuado para integrar diferentes sistemas de generación eléctrica?, en esta investigación encontrare la respuesta. Centros de Investigación han dicho que México tiene una irradiancia promedio de 5kw/m2/día, haciendo factible la implementación de SFV, además de estar ubicados en la latitud +35o hace factible esto, y con las bondades de la región donde se encuentra este desarrollo turístico se puede integrar un sistema que satisfaga sus necesidades eléctricas; impactando de manera directa a la disminución de los gases de efecto invernadero. Esta investigación se realiza en Alfajayucan, Hidalgo en el Parque Eco-turístico Madho Corrales, se inició con la creación de un sensor que fuera capaz de validar las horas de insolación (y nace el sensor OFF Four Sensor), después de ello se levanta las cargas de todo el desarrollo y se dimensionan los sistemas a utilizar en ese lugar, se validan las velocidades del viento y se inician los cálculos para el desarrollo de generación eléctrica a partir de la energía hidráulica, sustentando todo esto en un marco teórico se realizan presupuestos y se divide todo el proyecto por áreas y fases. Se lleva este proyecto para la obtención de recursos de FONAES para la cristalización del mismo. Por último se presentan resultados de esta investigación y termino con mis conclusiones.. 10.

(13) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Esta investigación está basada en dos metodologías: cualitativa y cuantitativa ya que es en campo y se obtienen datos numéricos que a la postre serán validados con un método estadístico, por ello mi hipótesis es que el número de horas de insolación alcanza hasta 10 horas en la región, La velocidad del viento es tal que puede generar energía eléctrica durante las 24 horas del día, mejorando el sistema integrado, El caudal de la o las caídas de agua es el suficiente para que sumado con las otras dos satisfaga las necesidades eléctricas del desarrollo eco-turístico y validar el costobeneficio de invertir en sistemas fotovoltaicos para reducir los altos costos generados por el consumo de energía comercial. Las variables que son objeto de esta investigación son: las hora de insolación, la irradiancia en la región, el caudal de al presa y la velocidad del viento, que son requeridas para la integración de un sistema eléctrico que sea capaz de suministrar al 100% las necesidades de energía eléctrica. Todas estas variables alimentan el simulador HOMER para verificar la viabilidad del mismo, cabe destacar que este software es recomendado por la NASA para el dimensionamiento de estos sistemas.. 11.

(14) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Capítulo I Marco Teórico Referencial. I.1 Introducción I.2 Teorías fundamentales I.3 Energía solar I.4 Celdas fotovoltaicas I.5 Potencial en México I.6 Magnetismo I.7 Energía Eólica 1.8 Energía Hidráulica. 12.

(15) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Capítulo I Marco Teórico Referencial. I.1 Introducción La crisis de energía está ante nosotros y será una crisis aguda. El aumento de la demanda de petróleo es tan grande que no puede continuar al ritmo presente por dos razones: a) Su multiplicación en los países desarrollados durante los últimos años no pudo repetirse en todos los países. b) La dependencia de la energía en los países desarrollados se ha hecho demasiado grande. Así, “algo” tiene que ocurrir para romper el curso de los acontecimientos, y este “algo” es la crisis energética. (Poblet, 1985) “El consumo de energía sigue una curva ascendente que parece no tener fin”. (Becerril Galvan & Rosillo Ramírez, 2011) El aprovechamiento de las energías renovables no es nuevo, no ha surgido con los últimos avances tecnológicos propiciados por el silicio o los modernos materiales. Hace mucho que aprendimos a utilizar los rayos del sol para fines diferentes de los climatológicos (en el siglo II a.C., Arquímedes ya consiguió quemar las naves romanas que asediaban su pueblo mediante espejos) (Tomás Perales, 2006) y aprovechar los vientos generados como consecuencia de las variaciones de la temperatura para mover las aspas de los molinos. Es la eterna paradoja: “mientras se desarrollan apresuradamente medios técnico para reducir nuestra dependencia del petróleo, los consumidores despilfarran energía sin saberlo”. La respuesta de algunos expertos es que el “porcentaje de despilfarro es insignificante” con respecto al consumo energético global. La energía recibida por el sol, cuyas condiciones y especificaciones puede ser empleada mediante transformación directa para obtener energía eléctrica para el consumo individual, o bien para conexión a las redes generales de distribución.. 13.

(16) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. I.2 Teorías fundamentales. I.2.1 Teoría de los semiconductores. Vamos a tratar de los materiales llamados semiconductores, principalmente porque sus propiedades eléctricas son fundamentales en el funcionamiento de los transistores y de los dispositivos relacionados con ellos. Un semiconductor es un elemento con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante. Como cabría esperar, los mejores semiconductores tienen cuatro electrones de Valencia. (Malvino, 2000) Existen dos caminos diferentes para abordar los problemas centrales de la conducción eléctrica en los semiconductores. El que vamos a considerar primeramente se apoya en la noción de enlace covalente, conocida por los estudios previos de química y que presenta una imagen visual del mecanismo de la conducción. La materia en general, está constituida por átomos formados por un núcleo cargado positivamente rodeado de los electrones necesarios para hacer que el átomo sea eléctricamente neutro. Los átomos guardan separaciones grandes frente a los diámetros de las órbitas de sus electrones más externos. La formación de un cristal es como un rompecabezas tridimensional en el que cada pieza (átomo) tenga un número dado de dientes (electrones de valencia) distribuidas con cierta simetría, debiendo alojarse en las piezas para formar una distribución geométrica; las mejores soluciones de rompecabezas son aquellas estructuras que tienen energía mínima ya que son más estables. La estructura cristalina de los buenos conductores metálicos, tales como el Cu, Al, y Ag, es tal que los electrones exteriores están “compartidos” por todos los átomos. Después del oxígeno, el silicio es el elemento más abundante de la tierra. Sin embargo, existieron algunos problemas que impidieron su uso como semiconductor; una vez resuelto este problema, las ventajas del silicio lo convirtieron inmediatamente en el semiconductor a elegir. (Malvino, 2000) Desde un punto de vista, los semiconductores a la temperatura ambiente son a la vez malos conductores y malos aisladores. Sus resistividades a 300K están comprendidas entre 10-3 y 10-5Ω, esto es: a temperaturas muy bajas son aisladores y a temperaturas muy altas son conductores. (R. B. Alder, 1970). 14.

(17) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. I.2.1.1 Estados de energía en semiconductores. Entendemos la naturaleza de los semiconductores y puede considerar que sucede cuando un átomo similar está unido desde una forma sólida, como un cristal. Cada átomo comparte sus electrones de valencia con los átomos vecinos, de tal manera que tiene ocho electrones de valencia con los átomos vecinos. La distribución de la energía de los niveles depende de la fuerza ejercida en la distancia interatómica. Este equilibrio entre las fuerzas es el que mantiene unidos a los átomos. La idea es similar a la del juego de tirar de la cuerda, mientras se igualen las fuerzas permanecerán unidos. A este tipo de enlace se le da el nombre de enlace covalente. (Malvino, 2000). I.2.1.2 Par electrón hueco. La temperatura ambiente en la temperatura del aire circundante. Cuando dicha temperatura es mayor al ser absoluto (-273°c), la energía térmica del aire circundante hace que los átomos de un cristal vibren, cuanto mayor sea la temperatura, más intensas serán las vibraciones, las vibraciones de los átomos de silicio pueden, ocasionalmente, hacer que se desligue un electrón de valencia ganando energía para situarse en otro orbital de nivel energético mayor; dejando un vacío al cual se le denomina hueco y se comporta como una carga positiva.. I.2.1.3 Recombinación y tiempo de vida. En un cristal puro se crean en igual número de electrones libres que de huecos debido a la energía térmica, moviéndose de forma aleatoria a través del cristal, un electrón libre se aproxima a un hueco y caerá hacia él, a esta unión electrón-hueco se le llama recombinación. El tiempo que transcurre entre la creación y la desaparición de un electrón libre recibe el nombre de tiempo de vida, que varía desde unos cuantos nanosegundos a varios microsegundos, según la perfección del cristal y otros factores.. 15.

(18) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. I.2.1.4 Dos tipos de flujo. Como ya se mencionó existe el mismo número de huecos que de electrones libres, la tensión aplicada forzará a los electrones libres a circular hacia la izquierda y los huecos hacia la derecha. Cuando los electrones libres llegan al extremo izquierdo, entran al conductor externo y circulan hacia la terminal positiva y viceversa produciendo un flujo estable de electrones libres y de huecos.. I.2.1.5 Dos tipos de semiconductores Semiconductor tipo n: El silicio que ha sido dopado con una impureza se llama semiconductor tipo n, donde n, hace referencia a negativo. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, recibe el nombre de portador. Semiconductor tipo p: El silicio que ha sido dopado con impurezas trivalentes se llama semiconductor tipo p, como el número de huecos es mayor, los huecos son los portadores mayoritarios.. I.2.1.6 Bandas de energía. El más bajo estado de energía está despreciado a un mínimo valor cuando el cristal se forma. El incremento del porcentaje por la energía potencial que está bajando, relacionado con la energía de cohesión del cristal. Esta banda es llamada banda de valencia (L. Pankove, 1975) y esta caracterizada por el hecho de que esta está completamente llena de electrones. La banda superior de este estado contiene protones y es llamada banda de conducción, si un electrón esta puesto en esta banda puede adquirir la influencia bajo un campo magnético. Claro está que mientras el gap de energía no es un estado permitido y no se puede esperar a encontrar un electrón con un rango de energía apropiado.. 16.

(19) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Ilustración 1 Bandas de energía. Fuente: Ramírez Bon (2012). I.2.1.7 Procesos en uniones p-n. Cuando se unen un semiconductor tipo n y otro tipo p, ocurre un flujo de electrones del semiconductor tipo n al tipo p y un flujo de huecos del semiconductor p al n. Este flujo se da como consecuencia del gradiente de concentración de portadores. Este intercambio de portadores origina una polarización positiva en el semiconductor tipo n y negativa en el semiconductor tipo p que genera un campo eléctrico dirigido del semiconductor n al p. El flujo de portadores se detiene cuando este campo eléctrico es suficientemente grande para oponerse al paso de los portadores. La unión p-n es la componente vital de la mayoría de los semiconductores. Cuando en las regiones de los materiales tipo n y p están trabajando en una forma continua los portadores se distribuyen de tal manera que igualan el nivel de Fermi. Esta unión está definida por la localización donde el nivel de Fermi es la mitad del gap de energía.. 17.

(20) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Ilustración 2 Unión p-n. Fuente: Ramírez Bon (2012). I.3 Energía solar El sol es la estrella más próxima a la tierra y es nuestra fuente energética, tienen una distancia media de 149.5 millones de kilómetros; está formado por hidrógeno en 90%, helio en 7% y otros componentes. Nuestra fuente energética procede de la fusión nuclear que produce su interior como consecuencia de sus componentes. La materia se convierte en energía en forma de radiación electromagnética.. 18.

(21) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Tabla 1 Longitud de onda. Franja Longitud de onda Valor Infrarrojo 0.7 – 3.5µM 46% Visible 0.4 - 0.7µM 46% Ultravioleta 0.29 – 4µM 8% Fuente: Wenham, Green, Watt, & Corkish (2007). I.3.1 Constante solar. La combinación de tres factores: la distancia Tierra-Sol, el diámetro solar y la temperatura del Sol, determinan un flujo luminoso. Se llama flujo de materia o energía a la cantidad que pasa a través de una superficie por unidad de área y por unidad de tiempo. Por tanto, el flujo luminoso, que es un flujo de energía, tiene unidades de energía por unidad de área (m2) y por unidad de tiempo (s). Mucho se ha discutido acerca de si el Sol emite un flujo de energía constante, o se trata de una estrella variable. Algunos estudios parecen indicar que la variación de la emisión de energía, por parte del Sol es menor al 1% a lo largo de un ciclo solar, que dura 22 años. No se conoce a ciencia cierta la causa de estas variaciones. Sin embargo, la emisión de energía en el Sol puede considerarse constante. El recurso energético solar está mucho más ligado, en la superficie terrestre, a las variaciones meteorológicas, que a las solares. La radiación emitida por el Sol, junto con sus condiciones geométricas respecto de la Tierra, dan por resultado que, sobre la atmósfera terrestre, incide una cantidad de radiación solar casi constante. La radiación solar incide sobre la superficie terrestre después de atravesar nuestra atmósfera, en la que se debilita como consecuencia de los reflejos y la absorción de energía en las nubes, las cuales presentan diferentes estados que determinan la magnitud. La necesidad de cuantificar la energía para poder dimensionar las instalaciones, ha dado lugar a la denominada constante solar, con la que se indica que la energía incidente fuera de la atmósfera por m2. Si se tiene en cuenta que el sol irradia cada segundo en todas direcciones una energía correspondiente a 4*1026 julios y que la distancia que nos separa tiene un Valor medio de 149.5 millones de kilómetros, se da:. 19.

(22) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES. 2. Estimando una aproximación de 1.35 kw/m fuera de la atmósfera terrestre fuente. Esto ha dado lugar a la definición de la llamada constante solar. La constante solar, es el flujo de energía proveniente del Sol, que incide sobre una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar, ubicada a la distancia media de la Tierra al Sol, fuera de toda atmósfera. “La radiación de la superficie del Sol es bastante constante”, la radiación que llega a la superficie de la tierra es muy variable debido a la absorción y dispersión en la atmósfera de la Tierra. (Wenham, Green, Watt, & Corkish, 2007) Cuando el cielo está despejado, la máxima radiación llega a la superficie de la tierra, cuando el sol está directamente en lo más alto y la luz solar tiene la más corta longitud a través de la atmósfera. Este paso de luz se puede aproximar por: 1/cosφ donde φ es el ángulo entre el Sol y el punto directamente en lo más alto, como se muestra a continuación.. Ilustración 3 Ángulo del sol. Fuente: Ramírez Bon (2012). 20.

(23) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. I.3.2 Masa de aire Es de tener en cuenta que no toda la energía solar alcanza la superficie terrestre, aproximadamente el 20% se refleja en la atmósfera y se dirige hacia el espacio exterior; las nubes son las masas en suspensión que más provocan este fenómeno, por otra parte la energía es absorbida por moléculas de agua, ozono y oxígeno de las capas altas de la atmósfera.. Ilustración 4 Energía en la superficie terrestre. Fuente: Ramírez Bon (2012). La constante solar guía analizada se denominada masa de aire 0 (AM0), pero con masas de aire uno, al nivel del mar y condiciones óptimas es de 1kw/m 2. Es común considerar separadamente la radiación directa (o haz) de la radiación difusa y disco solar, la radiación en otras partes del cielo, es la suma conocida como radiación global.. 21.

(24) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. I.3.3 Componentes de la radiación solar La reacción de procedencia solar que puede recibir un panel dispuesto sobre la superficie terrestre, con la inclinación adecuada, corresponde a la suma de tres componentes de la misma procedencia que son los siguientes: directa, difusa: cuyo origen es la directa pero atenuada por la atmósfera como consecuencia de la reflexión de las nubes en las que se modifica su dirección y albedo: que en la parte de la difusión y que procede del suelo; en resumen la sumatoria de las tres que es igual a 1000w/m2.. Ilustración 5 Tipos de radiación. Fuente: http://www.villarrubiadelosojos.com/soldelamancha/que_es.htm (2013) I.3.4 Horas Pico del Sol (HPS) Este parámetro fundamental interviene en el dimensionado de las instalaciones, el número de horas en las que cada metro cuadrado de superficie captora obtiene en modo constante 1000w de energía, la media diaria en la que se cumple tal condición está situada entre 3 y 6 horas (Perales Benito, 2006).. 22.

(25) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Ilustración 6 Horas Pico. Fuente: Perales Benito (2006) I.4 Celdas fotovoltaicas Una celda solar es un dispositivo que convierte la energía de la luz del sol en energía eléctrica en forma directa, sin la necesidad de piezas móviles o algún tipo de combustión. El efecto fotovoltaico se produce en materiales conocidos como semiconductores, los cuales son materiales cuya conductividad puede ser modificada y además generar una corriente eléctrica con cargas negativas, positivas o ambas. La conversión fotovoltaica se basa 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 20 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). Se transmite por el espacio en forma de fotones de luz. Estos fotones atraviesan la atmósfera terrestre perdiendo parte de su energía por los impactos con la misma. Esta pérdida de energía será en función a 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.. 23.

(26) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Estos 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. Los materiales semiconductores, para su utilización en celdas fotovoltaicas, han de ser producidos en purezas muy altas, normalmente con estructura cristalina. Estos cristales se cortan en rebanadas muy finas (del orden de micras) y se dopan unas con elementos químicos para producir huecos atómicos, lado "p", (en el caso del Si con Boro) y otras con otros elementos para producir electrones móviles, lado "n", (con Fósforo también en el caso del Si). La unión de una oblea "n" con una "p" (ambas son transparentes y por tanto dejan pasar los fotones) cada una con un conductor eléctrico metálico, forman así una célula fotoeléctrica, la cual bajo la incidencia de fotones, crea una corriente de electrones corriente eléctrica continua a través del circuito eléctrico al que estén conectados los dos conductores de la celda. Ilustración 7 Principio fotovoltaico. Fuente: Villa Loja (2013) Los diferentes tipos de celdas fotovoltaicas no responden de igual forma a las distintas longitudes de onda de la luz. En la actualidad, la mayoría de las celdas solares están basadas en silicio, ya que este es el material, se puede decir, es el más maduro de la tecnología. Sin embargo, existen otros materiales que actualmente son objeto de. 24.

(27) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. investigación activa y puede reemplazar el silicio en el mediano o largo plazo. Actualmente, las principales aplicaciones identificadas en México son:   . La electrificación, La telefonía rural, Radio transmisión y el bombeo de agua para abrevaderos en el sector agropecuario.. I.5 Potencial en México Con una insolación media de 5 kWh/m2, el potencial en México es de los más altos del mundo. Se espera tener instalados 25 MW con tecnología fotovoltaica para 2013, y generar 14 GWh/año. La Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica (EPIA, por sus siglas en inglés) presentará en México su estudio Unlocking the Sunbelt potential of photovoltaics (Liberando el potencial de la energía fotovoltaica en el Cinturón Solar) en conjunto con la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES). (energía, 2006) El estudio, realizado en colaboración con la firma de consultoría de gestión estratégica A.T. Kearney y con el apoyo de la Alianza para la Electrificación Rural (ARE, por sus siglas en inglés) y la Asociación Española de la Industria Fotovoltaica (ASIF), concluye que la tecnología solar fotovoltaica está preparada para convertirse en una fuente de energía mayoritaria en los países del llamado Cinturón Solar (Sunbelt en inglés), situados entre las latitudes de ± 35° respecto al ecuador. En estos países, caracterizados por unos elevados niveles de radiación solar y, a menudo, altos precios en las tarifas eléctricas, la energía solar fotovoltaica (ESFV) presenta un potencial competitivo único y podría convertirse en una de las principales fuentes de energía antes del año 2020. México, en particular, se encuentra dentro del grupo de los seis países que presentan el mayor potencial para el uso de este tipo de energía. Su elevado índice de radiación solar y la flexibilidad de su mezcla energética permitirían, junto con el desarrollo de políticas que incentiven la utilización de la ESFV, la materialización integral del potencial de este país en los próximos 10 años.. I.6 Principios del magnetismo De acuerdo a que los sistemas: eólico e hidráulico producen energía por medio de inducción magnética, referiré algunas leyes de electricidad y magnetismo que son necesarias para el cálculo de estos dos sistemas.. 25.

(28) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. I.6.1 Electricidad y magnetismo. Las leyes de electricidad y del magnetismo juegan un papel muy importante el operación de dispositivos como por ejemplo generadores eléctricos. Incluso, en su forma más básica, las fuerzas interatómicas e intermoleculares responsables de la formación de sólidos y líquidos son, en su origen, eléctricas. Además, fuerzas como las de empuje y de atracción que se presentan entre objetos, así como la fuerza elástica que posee un resorte provienen de fuerzas eléctricas y existentes a nivel atómico. Un aspecto que es importante de electricidad que se hace evidente a partir de la observación experimental es que, en un sistema aislado, la carga eléctrica siempre se conserva. Esto es, cuando se frota uno objeto contra otro, no se crea cargar en este proceso. El estado de electrificación se debe a una transferencia de carga de un objeto hacia otro. Ilustración 8 Campos magnéticos. Fuente: artinaid (2013) I.6.2 Carga que eléctrica que objetos mediante inducción. Conviene clasificar los materiales en función de la facilidad con la que se mueven los electrones a través del material: los conductores eléctricos son aquellos materiales en los cuales algunos de los electrones son electrones libres, que no están unidos al átomo y pueden moverse con relativa libertad a través del material. Para comprender cómo se carga un conductor mediante inducción, imagínese un esfera conductora neutra aislada de la tierra, existe en la esfera una cantidad igual de. 26.

(29) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. electrones y de protones, si la carga del esfera es exactamente igual a cero. Cuando a la esfera se le acerca una varilla de hule con carga negativa, los electrones de la región más cercana a la varilla sufren una fuerza de repulsión y emigran al lado opuesto de la esfera. Al cargar un objeto por inducción no requiere hacer contacto con el objeto que induce la carga; esto es en comparación con cargar un objeto mediante frotamiento siguiendo este fenómeno por conducción, es decir, se requieren de un contacto entre ambos.. Ilustración 9 Inducción magnética. Fuente: Electrostática (2013) I.6.3 El campo eléctrico. Las fuerzas de un campo pueden actuar a través del espacio, produciendo algún efecto, aun cuando no exista contacto físico entre los objetos que interactúan entre sin, desde este punto de vista, se dice que en la región del espacio que rodea un objeto cargado existe un campo eléctrico: la carga fuente. Cuando otro objeto cargado -la carga prueba- entrar en este campo eléctrico, una fuerza eléctrica actúa sobre el. Definamos el vector E es el campo producido por una carga o distribución de carga en un punto en el espacio como fuerza eléctrica F en que actúa sobre una carga de prueba positiva q colocada en ese punto, se puede expresar de la siguiente manera:. Sí q es positiva, la fuerza tiene la misma dirección que el campo. Si es negativa, la fuerza y del capó tiene en direcciones opuestas.. 27.

(30) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Ilustración 10 Campo eléctrico. Fuente: artinaid (2013). I.6.4 Diferencia de potencial y potencial eléctrico. Cuando una carga de prueba q es colocado en un campo eléctrico E creado por alguna distribución fuente de carga, la fuerza eléctrica que actúan sobre ella es qE. Esta fuerza es conservativa, de que la fuerza entre cargas descrita por la ley de Coulomb es conservativa. Cuando la carga de prueba es colocada por algún agente externo en el campo, el trabajo realizado por el campo sobre la carga es igual al trabajo realizado por el agente externo para provocar el desplazamiento, pero con signo negativo; esto se conoce como potencial eléctrico V y viene definido por:. La diferencia de potencia no debe confundirse en con la diferencia de energía potencial. La diferencia de potencial entre A y B depende sólo de la distribución fuente de carga, mientras que la diferencia en energía potencial existe sólo si se desplaza una carga de prueba entre los puntos. El potencial eléctrico es una característica escala de un campo eléctrico, independientemente de las cargas que puedan haber sido colocadas en el campo.. 28.

(31) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. I.6.5 Campos y fuerzas magnéticas. En nuestro estudio sobre electricidad, escribimos las interacciones que ocurren entre objetos cargados en función de campos eléctricos. Recuerde que cualquier carga eléctrica está rodeada por un campo eléctrico. Además de contener un campo eléctrico, el espacio que rodea a cualquier carga eléctrica en movimiento, también contiene un campo magnético. También cualquier sustancia magnética que forma parte de un iman permanente está rodeado de un campo magnético. Podemos definir un campo magnético B en algún punto en el espacio en función de la fuerza magnética F que ejerce el campo sobre una partícula cargada que se mueve con una velocidad v, misma que identificamos como el objeto de prueba. Por ahora, supongamos que no existe ni campo eléctrico ni campo gravitacional en la localización del objeto de prueba, los experimentos efectuados sobre varias partículas cargadas que se mueven en un campo magnético, dan los siguientes resultados: . La magnitud F de la fuerza magnética ejercida sobre la partícula es proporcional a la carga q y a la velocidad v de dicha particular.. . La magnitud y la dirección de F depende de la velocidad de la partícula y de la magnitud y dirección del campo magnético.. . Cuando una partícula se mueve en forma paralela al vector del campo magnético, la fuerza magnética que actúa sobre ella es igual a cero.. Podemos resumir de estas observaciones escribiendo la fuerza magnética de la siguiente forma:. Cabe destacar que el campo magnético sigue la regla de la mano derecha y determina la dirección del producto vB y en la dirección de F. La ventaja de esta regla es que la fuerza sobre la carga está en la dirección en que se debería empujar con la mano, es decir, hacia fuera de la palma. La fuerza ejercida sobre una carga negativa está en dirección opuesta. La magnitud de la fuerza magnética son una partícula cargada es:. Donde ἀ es el ángulo menor entre v y B. De esta expresión podemos ver que F es igual a cero cuando v es paralela o antiparalela a B.. 29.

(32) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Con base en este último enunciado y también con el teorema trabajo energía cinética en, concluimos que el energía cinética de una particular cargada que se mueve a través de un campo magnético lo puede ser modificada por el campo magnético sólo. En otras palabras, cuando una partícula cargada se mueve una velocidad v a través de un campo magnético, éste puede modificar la dirección del sector velocidad pero no puede cambiar la velocidad y la dirección cinética de la partícula.. I.6.6 Fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta corriente. Si se ejerce una fuerza sobre una partícula cargada cuando ésta se mueve sola través de un campo magnético, no debería sorprendernos que un alambre que transporta una corriente también experimente una fuerza cuando se le coloca en un campo magnético. Esto es así porque la corriente de un conjunto de muchas partículas cargadas en movimiento; de ahí que la fuerza resultante ejercida por el campo sobre el alambre sea la suma vectorial de las fuerzas individuales ejercida sobre todas las partículas cargadas que conforman la corriente. La fuerza ejercida sobre las partículas se transmite al alambre al entrar en colisión con los átomos que forman el alambre. Dando valores a este análisis consideran un segmento recto de alambre de longitud L y de sección transversal A, que lleva una corriente I en un campo magnético uniforme B, la fuerza magnética que se ejerce sobre la carga q en movimiento, con la velocidad de arrastre v. De ahí que la fuerza magnética sobre el alambre de longitud L es:. Es posible escribir esta expresión de la forma más conveniente al observar que, la corriente en el alambre es igual a:. I.6.7 Leyes de inducción de Faraday. A fin de poder observar cómo es posible inducir una fuerza electro motriz (fem) debido un campo electromagnético cambiante, consideramos un espira de alambre conectada a un amperímetro sensible, cuando el imán se acerca a la espirar, la aguja del galvanómetro se desvíe en una dirección. En cuanto el imán está en reposo y se mantiene estacionario en relación con la espira, no se observa defección alguna. Cuando el imán es alejado de la expiran la aguja se desvía en la dirección opuesta.. 30.

(33) ANÁLISIS DE LA VIABILIDAD PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA INTEGRADO EN EL VALLE DEL MEZQUITAL, UN ESTUDIO DE CASO: PARQUE ECO-TURÍSTICO MADHO CORRALES.. Finalmente si el imán se mantiene estacionario quizá se mueve ya sea hacia el imán con la dirección opuesta, la aguja se desviará. A partir de estas observaciones, concluimos que la espira detectará que liman se está moviendo respecto a la espira, y está detección es la que relacionamos con un cambio en el campo magnético. Entonces, parece existir una relación entre la corriente en el campo magnético cambiante. (Serway & Jewett Jr., 2008). I.7 Energía Eólica (EE). Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles para las actividades humanas. I.7.1 ¿Cómo se produce?. La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2 % de la energía proveniente del sol se convierte en viento. De día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.. 31.

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