UNIVERSIDAD DON BOSCO VICERRECTORÍA DE ESTUDIOS DE POSTGRADOS TRABAJO DE GRADUACIÓN INGENIERÍA ELÉCTRICA EN EL MARCO DEL DESARROLLO SOSTENIBLE: TENDENCIAS Y APLICACIONES. PARA OPTAR AL GRADO DE MASTER EN GESTION DE ENERGIAS RENOVABLES. ASESOR: MTR. MARIO CACERES RODAS. PRESENTADO POR: AXEL ANTONIO AMAYA GRANADOS Antiguo Cuscatlán, La Libertad, El Salvador, Centroamérica, SEPTIEMBRE 2013 ii Índice General Índice General ....................................................................................................................................... ii Índice De Figuras .................................................................................................................................. vii Índice De Tablas .................................................................................................................................. viii NOMENCLATURA .................................................................................................................................... ix 1. RESUMEN. ....................................................................................................................................... 1 2. Introducción ................................................................................................................................... 2 3. Objetivos ........................................................................................................................................ 3 3.1 Objetivo General. ..................................................................................................................... 3 3.2 Objetivos Específicos. ............................................................................................................... 3 4. Metodología .................................................................................................................................... 4 5. Marco teórico ................................................................................................................................. 5 5.1 Desarrollo sostenible. .............................................................................................................. 5 5.2 Energías renovables. ................................................................................................................ 6 5.2.1 Energía solar. .................................................................................................................... 6 5.2.1.1 Energía solar térmica. .................................................................................................. 7 5.2.1.2 Energía solar fotovoltaica. ........................................................................................... 7 5.2.2. Energía eólica. .................................................................................................................. 7 5.2.3 Energía hidráulica ............................................................................................................ 7 5.3 Concepto de ingeniería verde .................................................................................................. 8 5.4 Prácticas de ingeniería verde ................................................................................................... 9 5.4.1 Ingeniería Química ........................................................................................................... 9 5.4.2 Ingeniería Civil ................................................................................................................ 10 5.4.3 Ingeniería Eléctrica ......................................................................................................... 10 5.5 Aplicaciones de ingeniería eléctrica verde. ............................................................................ 11 iii 5.5.1 Sistemas fotovoltaicos. ................................................................................................... 11 5.5.1.1 Sistemas fotovoltaicos interconectados con la red de distribución. ........................... 13 5.5.1.2 Sistemas fotovoltaicos interconectados con la red de distribución con banco de baterías 14 5.5.1.3 Sistemas fotovoltaicos aislados .................................................................................. 15 5.5.2 Sistemas solares Térmicos (SST) ..................................................................................... 16 5.5.2.1 SST de caja ................................................................................................................. 17 5.5.2.2 SST termosifón .......................................................................................................... 18 5.5.2.3 SST forzado de lazo cerrado con drenaje. .................................................................. 19 5.5.2.4 SST forzado de lazo abierto directo ........................................................................... 21 5.5.2.5 SST forzado a glicol presurizado ............................................................................... 22 5.5.3 Sistemas micro-hidroeléctricos (SMH) ............................................................................ 22 5.5.3.1 SMH aislados sin banco de baterías ........................................................................... 24 5.5.3.2 SMH interconectado con la red de distribución sin banco de baterías. ..................... 25 5.5.4 Sistemas eólicos a pequeña escala (SEPE) ...................................................................... 25 5.5.4.1 SEPE aislados. ........................................................................................................... 26 5.5.4.2 SEPE interconectados con la red de distribución con respaldo de baterías y sin respaldo de baterías. .................................................................................................................. 27 5.5.5 Componentes auxiliares de los sistemas de energía renovable ...................................... 29 6. Generalidades de equipo de generación de energía renovable para uso residencial. ..... 33 6.1 Sistemas de calentamiento de agua potable.......................................................................... 33 6.1.1 Capacidades ................................................................................................................... 33 6.1.2 Costos. ............................................................................................................................ 33 6.1.3 Instalación ...................................................................................................................... 34 6.1.4 Vida útil .......................................................................................................................... 34 6.1.5 Ventajas y desventajas de los SST .................................................................................. 35 6.2 Paneles fotovoltaicos. ............................................................................................................ 35 iv 6.2.1 Capacidades ................................................................................................................... 35 6.2.2 Costos ............................................................................................................................. 35 6.2.3 Eficiencia ....................................................................................................................... 36 6.2.4 Vida útil .......................................................................................................................... 37 6.2.5 Ventajas ......................................................................................................................... 37 6.2.6 Desventajas .................................................................................................................... 38 6.3 Aerogeneradores a pequeña escala ....................................................................................... 38 6.3.1 Requerimientos de instalación ....................................................................................... 38 6.3.2 Tipos ............................................................................................................................... 39 6.3.2.1 Por número de aspas .................................................................................................. 39 6.3.2.2 Por la forma en que se redireccionan respecto al viento ............................................ 40 6.3.3 Capacidades ................................................................................................................... 40 6.3.4 Costos ............................................................................................................................. 40 6.3.5 Vida útil .......................................................................................................................... 41 6.3.6 Ventajas ......................................................................................................................... 41 6.3.7 Desventajas .................................................................................................................... 42 6.4 Mini-turbinas hidráulicas ....................................................................................................... 43 6.4.1 Requerimientos de instalación ....................................................................................... 43 6.4.2 Tipos ............................................................................................................................... 43 6.4.2.1 Turbina Pelton ........................................................................................................... 43 6.4.2.2 Turbina Turgo ........................................................................................................... 44 6.4.2.3 Turbina Francis ......................................................................................................... 45 6.4.2.4 Turbina de flujo radial o cruzado ............................................................................... 45 6.4.2.5 Turbina Kaplan .......................................................................................................... 46 6.4.3 Capacidades ................................................................................................................... 46 6.4.4 Costos ............................................................................................................................. 47 v 6.4.5 Ventajas ......................................................................................................................... 47 6.4.6 Desventajas .................................................................................................................... 48 6.5 Baterías .................................................................................................................................. 48 6.5.1 Baterías de plomo-ácido ................................................................................................. 49 6.5.1.1 Ventiladas de electrolito líquido (vaso abierto) .............................................................. 49 6.5.1.2 Selladas ...................................................................................................................... 49 6.5.2 Baterías alcalinas ........................................................................................................... 49 6.5.3 Diseño de un respaldo de baterías ................................................................................. 50 6.5.4 Capacidades ................................................................................................................... 51 6.5.5 Precios ............................................................................................................................ 51 6.6 Inversores .............................................................................................................................. 52 6.6.1 Tipos de inversores ......................................................................................................... 52 6.6.1.1 Inversores de onda cuadrada...................................................................................... 52 6.6.1.2 Inversores de onda cuadrada modificada ................................................................... 52 6.6.1.3 Inversores de onda sinusoidal .................................................................................... 53 6.6.2 Características estándar de los inversores ...................................................................... 53 6.6.3 Características opcionales de los inversores ................................................................... 53 6.6.4 Capacidades ................................................................................................................... 54 6.6.5 Precios ............................................................................................................................ 54 7. Especificaciones de equipo para sistemas autónomos de energía renovable para uso residencial ............................................................................................................................................ 55 7.1 Estimación de la demanda total de la residencia a equipar ................................................... 55 7.2 Aprovechamiento de la energía solar térmica ....................................................................... 58 7.3 Aprovechamiento de las fuentes de energía solar, eólica e hidráulica para el abastecimiento de sistemas eléctricos residenciales .................................................................................................. 61 7.3.1 Opción de un sistema micro-hidroeléctrico y solar fotovoltaico ..................................... 61 7.3.2 Opción de un sistema fotovoltaico y eólico .................................................................... 64 vi 7.3.3 Opción de un sistema fotovoltaico ................................................................................. 66 7.3.4 Cálculo de los valores de baterías e inversores necesarios para los equipos especificados. 67 7.4 Análisis tarifario de la vivienda............................................................................................... 68 7.5 Análisis de las tasas de retorno de la inversión para los tres casos estudiados ..................... 70 8. Conclusiones y Recomendaciones ............................................................................................. 75 8.1 Conclusiones .......................................................................................................................... 75 8.2 Recomendaciones ................................................................................................................. 77 BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................... 78 APÉNDICES ............................................................................................................................................ 82 vii Índice De Figuras Figura 5. 1 Esquema de conexión de componentes de un sistema fotovoltaico interconectado con la red de distribución. ...................................................................................................................................... 14 Figura 5. 2Esquema de conexión de componentes de un sistema fotovoltaico interconectado con la red de distribución con banco de baterías.................................................................................................... 15 Figura 5. 3Esquema de conexión de componentes de un sistema fotovoltaico aislado.......................... 16 Figura 5. 4 Esquema de funcionamiento de un SST de caja. ................................................................... 18 Figura 5. 5Esquema de funcionamiento de un SST termosifón. ........................................................... 19 Figura 5. 6Esquema de funcionamiento de un SST lazo cerrado con drenaje. ........................................ 20 Figura 5. 7 Esquema de funcionamiento de un SST de lazo abierto directo............................................ 21 Figura 5. 8 Esquema de funcionamiento de un SST a glicol presurizado. ............................................ 22 Figura 5. 9 Esquema de funcionamiento de un SMH. ............................................................................. 25 Figura 5. 10 Esquema de funcionamiento de un SEPE aislado. .............................................................. 27 Figura 5. 11 Esquema de funcionamiento de un SEPE interconectado a la red con respaldo de baterías. ............................................................................................................................................................... 28 Figura 5. 12 Esquema de funcionamiento de un SEPE interconectado a la red sin respaldo de baterías ............................................................................................................................................................... 28 Figura 5. 13 Esquema de funcionamiento de un SEPE de suministro directo. ........................................ 29 Figura 6. 1 Rodete de una mini-turbina Pelton. ..................................................................................... 44 Figura 6. 2 Rodete de una mini-turbina Turgo. ...................................................................................... 44 Figura 6. 3 Rodete de una mini-turbina Francis. .................................................................................... 45 Figura 6. 4Rodete de una mini-turbina de flujo cruzado.[46] ................................................................. 45 Figura 6. 5 Rodete de una mini-turbina Kaplan.[47] .............................................................................. 46 Figura 7. 1 SST tipo termosifón. ............................................................................................................. 56 Figura 7. 2: SST termosifón a utilizar en la vivienda para el calentamiento de agua potable. ............... 59 Figura 7. 3: Diagrama de ubicación del SST termosifón en la vivienda. ................................................. 60 viii Índice De Tablas Tabla 5. 1 Componentes auxiliares de los sistemas de energía renovable. ............................................. 29 Tabla 6. 1 Precios aproximados de paneles fotovoltaicos en la actualidad 4 . ......................................... 36 Tabla 6. 2 Precios aproximados de aerogeneradores eléctricos en el mercado en la actualidad 5 . ......... 41 Tabla 6. 3Tipos de mini-turbina hidráulicas a utilizar según el valor de la caída neta ........................... 46 Tabla 6. 4 Precios aproximados de baterías en el mercado actual. ........................................................ 52 Tabla 6. 5 Precios aproximados de inversores en el mercado actual. .................................................... 54 Tabla 7. 1 Estimación de consumo de electricidad de una residencia habitada por dos personas. .......... 57 Tabla 7. 2: Especificaciones generales del grupo turbina-generador Kaplan ................................. 62 Tabla 7. 3 Especificaciones básicas del panel fotovoltaico Kyocera KD210GX- LP. ............................ 63 Tabla 7. 4: Especificaciones generales del aerogenerador Fortis Montana ............................................ 64 Tabla 7. 5Especificaciones básicas del panel fotovoltaico Kyocera KD210GX- LP. ............................. 65 Tabla 7. 6 Montos a cancelar de acuerdo a la empresa de distribución asociada considerando un consumo de 168 kWh por mes............................................................................................................. 69 Tabla 7. 7: Resumen de valores eléctricos de generación y precio de inversión para los tres tipos de aprovechamiento expuestos. ........................................................................................................... 70 Tabla 7. 8Resultados obtenidos del análisis de rentabilidad para el sistema de aprovechamiento fotovoltaico. .......................................................................................................................................... 72 Tabla 7. 9 Resultados obtenidos del análisis de rentabilidad para el sistema de aprovechamiento micro- hidráulico y fotovoltaico............................................................................................................. 73 Tabla 7. 10 Resultados obtenidos del análisis de rentabilidad para el sistema de aprovechamiento eólico y fotovoltaico. ........................................................................................................................................ 74 ix NOMENCLATURA Ah Amperios-hora CD Corriente directa CA Corriente alterna k Costo promedio ponderado del capital kW kiloWatt l/s Litros por segundo m/s Metros por segundo PF Panel fotovoltaico SEPE Sistema eólico a pequeña escala SMH Sistema micro-hidroeléctrico SST Sistema solar Térmico SSFV Sistema Solar Fotovoltaico TIR Tasa interna de retorno VAN Valor actual neto 1 1. RESUMEN. El presente trabajo trata de brindar un panorama general de las tendencias de la ingeniería eléctrica y las aplicaciones disponibles en el mercado actual, para satisfacer las necesidades energéticas de una residencia a pequeños niveles de una manera limpia y amigable con el ambiente, aunque también no es de olvidar que las diferentes aplicaciones de energía renovable pueden también ser utilizadas para resolver y satisfacer las diferentes necesidades que existan para pequeños comercios. Para esto se realizó una investigación bibliográfica acerca de las diferentes fuentes renovables con posibilidades de ser explotadas a pequeña escala, como lo son los ríos, la radiación solar y los vientos. Se detallan las diferentes configuraciones para cada tipo de sistema, las cuales pueden adecuarse a las necesidades e intereses del usuario según sea el caso. Para el caso de la alternativa de la vivienda existen las opciones de conectarse a la red de servicio eléctrico para vender sus sobrantes de energía, para respaldar su producción en caso de no generar la totalidad que se consume o simplemente mantenerse aislado del sistema de potencia y producir en su totalidad toda la energía demandada por la vivienda, es de recalcar que la opción de interconexión con la red eléctrica existente dependerá mucho de la ubicación geográfica de la vivienda. Una vez reconocidas las diferentes formas de conversión de energía a nivel residencial, se abarcan los temas relacionados con la vida, útil, eficiencia, capacidades y costos de cada equipo asociado a las distintas fuentes de energía renovable. También se discute acerca de las ventajas y desventajas que puede tener el uso de una alternativa u otra. Finalmente, se hace un breve análisis de un caso hipotético de una vivienda en un lugar remoto y se plantean dos alternativas para cubrir la demanda de electricidad de la misma. Es posible ver que las combinaciones no son limitadas, sino que existe una gran variedad de posibilidades para producir energía utilizando fuentes renovables con el fin de reducir el monto de la factura petrolera y los problemas de contaminación. 2 2. Introducción El concepto de desarrollo sostenible ha cobrado importancia con el transcurrir de los últimos años. El crecimiento de la industria y de la población en el planeta, ha producido la aparición de problemas ambientales como el calentamiento global y la ruptura de la capa de ozono. Como consecuencia, el mal manejo de los recursos ha contribuido con el aumento de las enfermedades debido a la excesiva contaminación resultante. Muchas disciplinas se encargan de crear planes y métodos que permitan hacer más sostenible el desarrollo de la vida diaria. La ingeniería se hace presente en casi todas sus áreas para contribuir a la solución de la problemática ambiental actual por medio de tendencias y aplicaciones disponibles en el mercado. El interés de este trabajo está en estudiar cómo se involucra la ingeniería con el desarrollo sostenible en general y profundizar en las contribuciones de la ingeniería eléctrica a las prácticas actuales de ahorro y utilización eficiente de las fuentes de energía en el sector residencial, comercial e industrial Con esta investigación se pretende analizar las actuales tendencias y aplicaciones de la ingeniería eléctrica que se están poniendo en marcha alrededor del mundo. Además, se elaborará una propuesta en detalle de aplicaciones que se pueden ejecutar en nuestro país para solucionar los problemas de consumo energético excesivo y alargar la vida de las instalaciones eléctricas en el sector vivienda de una manera amigable con el ambiente. 3 3. Objetivos 3.1 Objetivo General. Establecer la situación actual de la ingeniería eléctrica en relación al aprovechamiento de los recursos naturales y estudiar así las diferentes aplicaciones para la generación de energía a pequeña escala. 3.2 Objetivos Específicos.  Investigar sobre las aplicaciones que ya se desarrollan alrededor del mundo y definir la factibilidad de aplicarlas en El Salvador. Las aplicaciones que se va a investigar son los sistemas de paneles fotovoltaicos, sistemas micro-hidroeléctricos, sistemas de generación eólica a pequeña escala y sistemas solares de calentamiento de agua.  Elaborar una propuesta detallada de cuales tecnologías, tendencias y aplicaciones se pueden implementar en el sector residencial de El Salvador.  Realizar un análisis técnico-financiero por medio del establecimiento de indicadores básicos como el Valor Actual Neto (VAN) y la Tasa Interna de Retorno (TIR) comparativo de los sistemas fotovoltaicos, micro-hidráulico y fotovoltaicos y sistema de Aprovechamiento eólico y fotovoltaico, 4 4. Metodología Para la realización de este proyecto se llevará a cabo una investigación haciendo uso de diferentes fuentes. A continuación se explicarán cada una de ellas. 1. Investigación bibliográfica: Debido a que se trata de una temática relativamente nueva, la bibliografía existente es limitada. Por esta razón los libros de texto probablemente no sean las principales fuentes de información. Sin embargo, estos se utilizarán para las definiciones de conceptos básicos pero que no dejan de ser importantes para el interés del proyecto. 2. Investigación sitios web: Se aprovechará lo amplio de esta fuente para realizar la búsqueda de información de las aplicaciones y tendencias para el ahorro energético a nivel mundial. Esto se llevará a cabo siempre y cuando se cuente con páginas web confiables. Esta fuente será una de las más utilizadas para el desarrollo de la investigación correspondiente. Existe la ventaja de que muchas organizaciones de diferentes países del mundo cuentan con páginas de internet de fácil acceso las cuales ponen a disposición de todo el mundo información sobre lo último en conservación de la energía, diseño sostenible y prácticas de ingeniería verde recomendadas. 3. Estudio de casos: Se investigará acerca de proyectos de ingeniería eléctrica verde en el país y el resto del mundo. Para esto se contactaron empresas con experiencia en el diseño e instalación de tecnologías de energía renovable de Costa Rica que hayan participado en diversos proyectos a nivel nacional e internacional. 4. Entrevistas con expertos o instituciones relacionadas al tema de energías renovables. 5. Desarrolladores de proyectos en otros países de la región centroamericana. 5 5. Marco teórico 5.1 Desarrollo sostenible. El desarrollo sostenible surgió como tema principal en la primera conferencia global de aspectos ambientales organizada por las Naciones Unidas en Estocolmo en el año 1972. De ésta se originó los primeros cimientos para el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. Posteriormente, se creó la Comisión Mundial para el Medio Ambiente y Desarrollo cuyo primer reporte estableció que el desarrollo de los países es importante para poder suplir las necesidades del hombre, pero este desarrollo debe considerar los límites ecológicos del planeta. Basándose en ese postulado, se acoge el término de desarrollo sostenible como un concepto de índole universal que promueve satisfacer las necesidades de la generación presente sin afectar la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus necesidades propias 1 . El desarrollo sostenible no se centra exclusivamente en las cuestiones ambientales. En términos generales, el desarrollo sostenible contiene tres componentes que son el desarrollo económico, el desarrollo social y la protección del medio ambiente. Estos actúan como pilares interdependientes que se refuerzan entre sí. Actualmente el desarrollo industrial, agrícola y urbano genera contaminaciones inmediatas y pospuestas que tienen consecuencias negativas como la lluvia ácida, el cambio climático y la explotación excesiva de los recursos naturales que conlleva al agotamiento de los combustibles fósiles y de recursos naturales vitales. Ante esta situación, se plantea la posibilidad de mejorar la tecnología de manera que el medio ambiente logre recuperarse al mismo ritmo con que es afectado por la actividad humana, por medio de la utilización de recursos renovables de energía. 1-Definición obtenida de la página web: http://ccqc.pangea.org/cast/sosteni/soscast.htm 6 5.2 Energías renovables. La producción de energía eléctrica es una industria que contribuye a la contaminación del medio ambiente. Además, los recursos del planeta se están consumiendo aceleradamente y esto produce el agotamiento de los mismos. Dada esta situación, se hace necesaria la búsqueda de nuevas fuentes de energía que contribuyan a la mantención de un planeta limpio y a la creación de un estilo de vida que depende de la energía limpia o energía verde. Para lograr estos objetivos se deben de crear sistemas que conlleven al ahorro energético y a la reutilización de los recursos y materiales disponibles en la naturaleza. Las energías renovables representan una ayuda para alcanzar un desarrollo cada vez más sostenible de la mano con la naturaleza. Las energías renovables son aquellas que son obtenidas de fuentes inagotables y que pueden ser reutilizadas indefinidamente para satisfacer las necesidades energéticas existentes en un espacio y tiempo determinados. Para fines de este proyecto se estudiarán las fuentes energéticas renovables más comunes que se utilizan actualmente en los sectores residencial y comercial a nivel mundial y nacional; el sol, el viento y el agua. Las fuentes renovables de energía son recursos abundantes y limpios que ayudan a disminuir la contaminación ambiental reduciendo las emisiones de gases, pues pueden reemplazar la generación eléctrica con plantas termoeléctricas a base de combustibles fósiles. 5.2.1 Energía solar. La energía solar es la que se obtiene a partir de la radiación emitida por el Sol. También es la base de otras fuentes energéticas renovables como el viento, las mareas y las corrientes marinas. Es una de las fuentes energéticas inagotables de energía limpia en el planeta. La energía solar puede ser aprovechada de 2 formas: como energía térmica y energía fotovoltaica. 7 5.2.1.1 Energía solar térmica. El aprovechamiento de la energía solar térmica consiste en capturar el calor de la radiación solar por medio de un dispositivo colector para así poder transmitirlo y utilizarlo en sistemas de calefacción, sistemas de agua caliente, sistemas de potabilización de agua, cocinas solares, entre otros. 5.2.1.2 Energía solar fotovoltaica. La energía solar fotovoltaica se obtiene mediante paneles formados por la alineación de celdas fotovoltaicas, hechas a partir de materiales semiconductores, principalmente de silicio. Estos paneles aprovechan la naturaleza de los materiales semiconductores para transformar la energía de la radiación solar en energía eléctrica. 5.2.2. Energía eólica. La energía eólica se considera derivada de la energía solar, debido a que el viento es un movimiento de la masa atmosférica producido a causa del calentamiento desigual de la superficie del planeta. El viento es uno de los potenciales naturales de mayor explotación en zonas montañosas y a nivel del mar en muchas partes del mundo. La energía contenida en el mismo se aprovecha por medio de máquinas eólicas, que se encargan de transformar la energía cinética del aire en movimiento en energía eléctrica. 5.2.3 Energía hidráulica La energía hidráulica es aquella que se obtiene mediante el aprovechamiento de la energía mecánica del agua ya sea en forma potencial o cinética. Este tipo de energía se puede obtener de los ríos, las mareas y los saltos de agua. La transformación de energía mecánica a eléctrica se da por medio del acople de una turbina hidráulica y un generador eléctrico mediante un eje. Las instalaciones en donde se realiza esta conversión de energía se llaman centrales hidroeléctricas. Las centrales hidroeléctricas de represa son el uso más significativo que se le da a esta fuente energética; sin embargo, también existen centrales micro-hidroeléctricas, que son una réplica de las hidroeléctricas a una escala menor de energía generada. Estas últimas pueden ser abastecidas por un río o una quebrada. 8 Este tipo de centrales se pueden clasificar según su capacidad de generación de la siguiente manera:  Microcentrales: generación menor de 100 KW  Minicentrales: 101 KW a 2.000 KW  Pequeñas Centrales: 2.001 KW a 10.000 KW  Pico Centrales: 0,2 KW a % KW 5.3 Concepto de ingeniería verde La ingeniería verde es el diseño, comercialización y uso de infraestructura, procesos y productos que además de ser viables y económicos, minimizan la contaminación y el riesgo para la salud humana y el medio ambiente. Abarca el concepto de que las decisiones para proteger la salud humana y del medio ambiente tienen un mayor impacto positivo y son más efectivas cuando se aplican desde la etapa de diseño de un proceso o un producto. Las prácticas de ingeniería verde están regidas por doce principios básicos 2 : 1. Los diseñadores deben esforzarse por asegurar que todas las entradas y salidas de materia y energía sean tan inherentemente inocuas como sea posible. 2. Es mejor prevenir la contaminación que tratar o limpiar el residuo ya producido. 3. Las operaciones de separación y purificación deberían diseñarse para minimizar el consumo de energía y el uso de materiales. 4. Los productos, procesos y sistemas deberían diseñarse para la maximización de la eficiencia en el uso de materia, energía y espacio. 5. Los productos, procesos y sistemas deberían estar orientados hacia la “producción bajo demanda” (“output pulled”) más que hacia el “agotamiento de la alimentación” (“input pushed”). 6. La entropía y la complejidad inherentes deben ser consideradas como una inversión al elegir entre reutilizar, reciclar o rechazar como residuo final. 7. Diseñar para la durabilidad, no para la inmortalidad. 8. Satisfacer la necesidad, minimizar el exceso. 9. Minimizar la diversidad de materiales. 10. Cerrar los ciclos de materia y energía del proceso tanto como sea posible. 11. Diseñar para la reutilización de componentes tras el final de la vida útil del producto. 12. Las entradas de materia y energía deberían ser renovables. 9 5.4 Prácticas de ingeniería verde 5.4.1 Ingeniería Química Las nuevas tendencias de la ingeniería química se basan en el concepto de la “Química Verde”. Ésta se ocupa de diseñar procesos y productos químicos que disminuyen cada vez más el uso de sustancias o agentes peligrosos. La Química Verde ha llegado a formar parte integral de la ingeniería verde ya que además, promueve la seguridad de los procesos mediante el uso de sustancias que son inherentemente más seguras en el diseño de los procesos y en la selección de materias primas, reactivos y solventes; tratando siempre de obtener un producto final inofensivo con el medio ambiente para prevenir la contaminación y saciar las necesidades económicas de lograr un desarrollo cada día más sostenible. La Química Verde parte de dos principios de eficiencia para prevenir la contaminación a causa de la elaboración de productos químicos: 1. Se deben de diseñar productos nuevos que sean útiles y además que sean comercialmente viables con un nivel mínimo de toxicidad. 2. Para los productos que ya existen se deben de diseñar pasos sintéticos alternativos que no consuman ni generen compuestos tóxicos para el ambiente o el ser humano. Tradicionalmente la ingeniería química se encargaba de monitorear el entorno con el fin de detectar los contaminantes y así poder buscar cómo eliminarlos o minimizar su efecto negativo. Ahora a esa labor se le suman las tareas de idear y poner en marcha mecanismos que permitan a los productos químicos operar efectivamente sin dañar al medio ambiente 2 Definición obtenida de la página web: http://www.inese.es/html/files/pdf/amb/iq/458/13ARTICULOABR.pdf 10 5.4.2 Ingeniería Civil La ingeniería civil se ha incorporado a la ingeniería verde por medio de la construcción sostenible. La construcción sostenible está definida como aquella que tiene respeto y compromiso con el ambiente; implica además el uso eficiente de la energía, del agua, los recursos y los materiales no perjudiciales para el medio y se dirige hacia una reducción de los impactos ambientales negativos. Abarca no sólo las edificaciones en sí, sino también toma en cuenta el entorno y la manera cómo éstos se integran para formar las ciudades. El desarrollo de ciudades sostenibles, tiene el objetivo de crear un entorno urbano que no atente contra el medio ambiente, que proporcione recursos urbanísticos suficientes, no solo en cuanto a las formas y la eficiencia energética y del agua, sino también para su funcionalidad sin comprometer la calidad de vida. Los objetivos de la construcción sostenible se basan en priorizar el reciclaje, la reutilización y la recuperación de materiales constructivos, así como el uso óptimo de la tecnología y fomentar la utilización de procesos constructivos y energéticos basados en productos y en energías renovables. Para ello, la tecnología del concreto se ha interesado en desarrollar investigaciones en temas como lo son la utilización de materiales de desecho para la construcción, y el uso de materiales que transforman las sustancias que ensucian los edificios o contaminan el aire en productos sin impacto alguno para el medio ambiente y la salud de las personas. 5.4.3 Ingeniería Eléctrica La ingeniería eléctrica también lleva a cabo prácticas para contribuir con un medio ambiente más sano. Estas prácticas se basan en principios de conservación y eficiencia aprovechando cada vez más las fuentes renovables de energía y reduciendo el uso de fuentes energéticas no renovables. Esto se debe a que en muchos países del mundo se han utilizado por muchos años sólo combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica. Como consecuencia, se produce mucha contaminación del medio ambiente a causa de la emanación de gases de combustión tóxicos a la atmósfera. Actualmente en los sectores industrial, comercial y residencial se ha optado por la 11 utilización de energías renovables en sus diferentes tipos para un sin fin de aplicaciones de la vida diaria. En la mayoría de los casos se busca adquirir independencia energética que proporcione además una reducción en la factura energética del usuario. La ingeniería eléctrica verde se manifiesta en los sectores residencial con el uso de calentadores solares de agua, sistemas de paneles fotovoltaicos, sistemas micro- hidroeléctricos y sistemas eólicos a pequeña escala. En la siguiente sección de este proyecto se detallarán los tipos de sistemas de energía renovable más utilizados a nivel mundial en pro del medio ambiente y el desarrollo sostenible para residencias y comercios. 5.5 Aplicaciones de ingeniería eléctrica verde. 5.5.1 Sistemas fotovoltaicos. Los sistemas fotovoltaicos son sistemas de generación de electricidad que convierten en energía eléctrica la energía contenida en la radiación solar. Esto se logra por medio de paneles fotovoltaicos. De esta manera, la radiación que incide sobre los paneles es convertida en corriente directa. Los paneles o módulos fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles solares, aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (energía solar fotovoltaica). El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:  Radiación de 1000 W/m²  Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente). Los paneles fotovoltaicos se dividen en:  Cristalinas  Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si).  Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.  Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado. Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y costo. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas 12 puede no llegar al 10%, sin embargo su costo y peso es muy inferior. Esencialmente un sistema fotovoltaico consta de los siguientes elementos:  Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continúa a baja tensión (12 ó 24 V).  Un acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.  Un regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia.  Un inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 V almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 230 V. Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulador hay dos opciones: sacar una línea directamente de éste para la instalación y utilizar lámparas y elementos de consumo de 12 ó 24 Vcc o bien transformar la corriente continua en alterna de 230 V a través de un inversor. Básicamente el proceso de generación de energía por medio de la luz solar se puede resumir en los siguientes procesos: Generación: Los paneles fotovoltaicos son los encargados de la generación eléctrica. El número de ellos dependerá de varios factores, los principales son: * El valor promedio de la insolación del lugar (DS), * La carga (régimen y tipo), * La máxima potencia nominal de salida del panel seleccionado. Acumulación: El banco de baterías usa un tipo especial de batería llamada batería solar. Estas baterías se ofrecen en versiones desde 4V hasta24V. Una batería solar es una batería diseñada para soportar niveles de descarga profundos durante muchos ciclos de carga y descarga. Requisito es el uso de un control de carga de las baterías el cual evita la descarga de las baterías a través de los paneles durante la noche, cuando la tensión de salida del panel fotovoltaico es nulo y a su vez impide la sobrecarga de las baterías, suministrando el régimen de carga más apropiado para un dado tipo de acumulador. Transformación: Si bien se puede utilizar la energía suministrada, directamente 13 (previamente regulada), la electricidad se presenta como Corriente Continua (+/- 24VCC), los artículos eléctricos con este tipo de energía son escasos. Por este motivo se requiere de un componente (Inversor), el cual transforma esta electricidad en 110-200 VAC y de esa forma hacer un uso eficaz de la Planta Fotovoltaica. Consumo/Carga/Distribución: Un método eficiente de utilización de la energía generada es la apropiada distribución de la electricidad. Cuando se utiliza la electricidad de la red, habitualmente no se hace un equilibrado y optimizado procedimiento de distribución. En el caso de las Plantas fotovoltaicas se debe realizar una revisión del esquema de distribución y de esa forma minimizar sus pérdidas. Igualmente es recomendable el uso de una distribución en Corriente Continua y de esa forma ganar en la eficiencia del consumo. Diariamente, el sistema deberá mantener un balance energético entre la cantidad generada y la consumida. Al analizar el diseño veremos que el costo del sistema se incrementa cuando el balance energético debe mantenerse durante períodos de insolación baja o nula. Pérdidas y Diseño: Cuando un tipo de energía (luz solar) se transforma en otro tipo (energía eléctrica) la transformación no puede llevarse a cabo sin que ocurran pérdidas. Las pérdidas ocurren en toda las etapas del Sistema Fotovoltaico, por ello en el diseño se debe estimar las pérdidas del sistema y agregarlas a la parte generadora, a fin de no perder el balance entre generación y consumo. Luego de esta conversión, la energía puede fluir hacia las cargas necesarias o hacia la red de distribución local según sea el tipo de sistema implementado. 5.5.1.1 Sistemas fotovoltaicos interconectados con la red de distribución. Esta clase de sistemas fotovoltaicos son capaces de interactuar con la red de distribución eléctrica ya que la energía generada por los paneles puede ser inyectada a la red en caso de que exista más de la que necesiten las cargas conectadas al arreglo solar- eléctrico. En algunos países al usuario de esta clase de sistemas se le acredita en su factura eléctrica el monto correspondiente a la energía entregada al sistema de distribución. La retribución puede ser acumulada y utilizada para comprarle energía a la empresa de distribución en aquellas épocas en que no se produce mucha energía con los paneles como en el caso de países con inviernos oscuros y nublados. 14 Este tipo de sistemas tiene la ventaja de que cuando se le necesita dar mantenimiento u ocurre una falla en el mismo, se puede seguir alimentando las cargas necesarias en el lugar por medio de la red de distribución local. En la figura 5.1 se puede observar la secuencia de conexión de los principales componentes que forman un sistema fotovoltaico interconectado con la red de distribución. Figura 5. 1 Esquema de conexión de componentes de un sistema fotovoltaico interconectado con la red de distribución. El arreglo fotovoltaico debe estar comunicado con el inversor por medio de un interruptor de CD con el fin de poder aislarlo en caso de una falla en los módulos o en la red de distribución o para realizar labores de mantenimiento si se desea. Luego del inversor se debe de instalar un panel de disyuntores de CA para así poder proteger las diferentes cargas a alimentar por el sistema. Finalmente el panel o caja de disyuntores se debe de conectar con el medidor de kilowatt-hora para así poder registrar los valores de energía de la red consumida por las cargas y también los montos de energía inyectada a la red como sobrante de generación del sistema fotovoltaico. Todos estos detalles se pueden observar en la figura 5.1. 5.5.1.2 Sistemas fotovoltaicos interconectados con la red de distribución con banco de baterías Los sistemas fotovoltaicos interconectados con la red que no poseen banco de baterías están sujetos a los apagones producto de fallas en el circuito de distribución local. Es decir si no hay tensión eléctrica en la red, tampoco la habrá en la vivienda o el comercio conectado. No obstante, para solucionar este problema, se puede instalar un banco de baterías con el fin de almacenar energía de exceso generada que pueda ser usada como respaldo eléctrico cuando se dan interrupciones en la red. El incorporar las baterías requiere 15 el uso de más componentes en el sistema fotovoltaico; por lo tanto, el mismo se vuelve más caro y reduce su eficiencia. Sin embargo, este sistema se vuelve muy útil en lugares que constantemente experimentan salidas de servicio de la red de distribución. En la figura 5.2 se puede ver el esquema de cómo está compuesta esta aplicación. Figura 5. 2Esquema de conexión de componentes de un sistema fotovoltaico interconectado con la red de distribución con banco de baterías. En este tipo de sistemas se incluyen dos interruptores de CD, estos permiten seccionar el circuito en varias etapas. Luego de los arreglos fotovoltaicos se debe instalar un controlador de carga antes de las baterías para tener la seguridad de que estas se cargaran a niveles deseados de tensión y que no se descargarán por debajo de un límite establecido por el usuario. Seguido de las baterías se encuentra un medidor de sistema que registra los valores de tensión a que se están cargando las baterías y el porcentaje de carga del banco en general. Posteriormente, se comunica el medidor del sistema con un inversor por medio de otro interruptor de CD y de ahí en adelante continúan el panel de disyuntores de CA y el medidor de kilowatt-hora para realizar la interconexión con la red. 5.5.1.3 Sistemas fotovoltaicos aislados Los sistemas aislados se utilizan normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumos de energía muy bajos para los cuales no compensa pagar el costo de la conexión a la red, y para los que sería muy difícil conectarlos debido a su posición poco 16 accesible: ya a partir de distancias de más de 3Km de la red eléctrica, podría resultar conveniente instalar un sistema fotovoltaico para alimentar una vivienda. Los sistemas aislados, suelen estar equipados con sistemas de acumulación de la energía producida. La acumulación es necesaria porque el campo fotovoltaico puede proporcionar energía sólo en las horas diurnas, mientras que a menuda la mayor demanda por parte del usuario se concentra en las horas de la tarde y de la noche. Durante la fase de insolación es necesario prever una acumulación de la energía no inmediatamente utilizada, que es proporcionada a la carga cuando la energía disponible es reducida e incluso nula. En la figura 5.3 es posible ver los componentes que forman el sistema fotovoltaico aislado. Figura 5. 3Esquema de conexión de componentes de un sistema fotovoltaico aislado. En la figura 5.3 se puede ver un esquema similar en funcionamiento al de un sistema fotovoltaico interconectado con la red con respaldo de baterías. A diferencia de este último, este tipo de sistema no se conecta con la red por lo que no se hace necesario el uso de un medidor de kiloWatt-hora. 5.5.2 Sistemas solares Térmicos (SST) Los sistemas solares de agua caliente capturan la energía contenida en la radiación solar por medio de un colector, el cual puede ser de tipo placa, de tubos al vacío, de serpentín y de 17 tipo caja, y la utiliza para elevar la temperatura de un fluido que circula por su interior. Este fluido de trabajo puede ser agua potable directamente o alguna sustancia con propiedades anticongelantes según sean las condiciones climáticas del lugar en que se localice el sistema. En caso de uso de otro fluido de trabajo, éste mismo cederá el calor por medio de un intercambiador al agua que ingrese al sistema para su posterior uso doméstico o comercial. Esta tecnología de calentadores de agua ofrece una larga vida útil acompañada de un mínimo mantenimiento del equipo utilizado. Sin embargo, para esto es necesario un buen diseño que sea acorde con las condiciones climáticas del lugar de instalación. Hoy en día los 5 tipos principales de sistemas solares de agua caliente que se aplican en diferentes partes del mundo son los siguientes:  SST de caja  SST termosifón  SST lazo cerrado con drenaje  SST lazo abierto directo  SST con glicol presurizado Los sistemas solares de agua caliente pueden ser activos o pasivos; según utilicen o no bombas para hacer circular los fluidos a través de ellos. También, pueden ser de lazo abierto o lazo cerrado; esto depende de si el agua se calienta directamente en el colector o si se usa algún líquido de transferencia como el glicol para transferir el calor al agua posteriormente usando un intercambiador. 5.5.2.1 SST de caja Esta clase de sistemas se caracteriza porque el colector y el tanque en el que se acumula el agua caliente constituyen una misma unidad. Esto se debe a que el almacenamiento de agua se lleva a cabo en un recipiente ubicado en el interior de una caja de madera aislada térmicamente. La caja debe tener un color oscuro en su interior para aumentar la absorción de radiación solar y cuenta con una tapa de vidrio que constituye la superficie colectora. 18 Figura 5. 4 Esquema de funcionamiento de un SST de caja. En este tipo de calentador solar, el agua fría entra por la base del tanque a la misma presión de la red hidráulica local y el agua caliente es tomada de la parte superior del tanque. Es decir, cada vez que se demanda agua caliente al sistema, la misma presión de la red impulsa el agua caliente hacia afuera del tanque mientras el mismo es reabastecido en su base con agua fría. Por ser el agua la que atraviesa el colector, se trata de un sistema de lazo abierto, y a su vez, es un sistema pasivo pues no se usa ningún tipo de bomba para impulsar el agua a través de él. Estos sistemas son útiles en lugares en los que no hay posibilidades de congelación del agua dentro del sistema pues podría quedar inhabilitado. Comercialmente tienen un bajo costo y además son fáciles de construir de manera casera. 5.5.2.2 SST termosifón Los SST termosifón, también llamados sistemas de circulación natural, constituyen otro tipo de sistemas pasivos. Su funcionamiento se basa en las corrientes de convección de los 19 fluidos, en los que las partes de los mismos que se calienten tienden a ascender. Son muy comunes en todo el mundo y son fáciles de reconocer ya que el tanque de almacenamiento del agua caliente se ubica sobre el extremo superior del colector. Esta topología de calentador se debe a que en cuanto el agua fría que entra por la parte inferior del colector se caliente, empezará a ascender hasta irse depositando en el tanque de almacenaje. A diferencia de los calentadores solares de caja, este presenta la ventaja de que el agua caliente es almacenada en un tanque mejor aislado térmicamente, por lo que se mantiene disponible a altas temperaturas la mayoría del tiempo sin tener pérdidas considerables de calor durante las noches. Figura 5. 5Esquema de funcionamiento de un SST termosifón. 5.5.2.3 SST forzado de lazo cerrado con drenaje. Los SST lazo cerrado con drenaje trabajan generalmente con agua destilada que atraviesa un circuito cerrado al igual que los sistemas que utilizan mezcla de agua y propilenglicol. Esta agua destilada requiere ser cambiada periódicamente como mantenimiento del sistema. 20 Figura 5. 6Esquema de funcionamiento de un SST lazo cerrado con drenaje. Básicamente el drenaje este SST funciona de la siguiente manera. Cuando la bomba se apaga, el agua destilada es drenada toda a un reservorio o depósito del drenaje colocado usualmente sobre el tanque de almacenamiento de agua potable y cuya capacidad depende del tamaño del sistema. Cuando se enciende la bomba de nuevo, el agua destilada vuelve a su recorrido habitual. El colector debe estar siempre en una altura superior que el tanque de almacenaje y debe de haber una suficiente pendiente entre ambos para evitar que se congele la misma en la tubería. Estos SST son efectivos y confiables tanto en épocas frías como cálidas; además, son capaces de trabajar durante 20 años si necesitar reparaciones. La única desventaja radica en que se necesita utilizar bombas de mayor potencia especialmente si se requiere bombear a dos o más pisos de altura. Una manera de resolver el problema de la altura es colocar el reservorio de drenaje cerca del colector, lo cual es muy útil en las casas o negocios que tienen ático. También se debe de considerar que si las tuberías corren el riesgo de congelarse, debe de agregarse propilenglicol a la mezcla. 21 5.5.2.4 SST forzado de lazo abierto directo Es el sistema solar de agua caliente activo de mayor sencillez y debe ser utilizado en zonas cálidas en los que nunca se dan congelaciones, por ejemplo en los trópicos. El tanque de almacenamiento de este sistema no se encuentra sobre el colector ni forma una misma unidad con él como en los casos mencionados anteriormente; sino, que se puede colocar en cualquier otro lugar a conveniencia. Esto se debe a que si el agua en el tanque requiere ser recalentada, un control activará una bomba eléctrica que enviará agua del tanque al colector para elevar de nuevo su temperatura a la previamente ajustada. El monitoreo de temperaturas se realiza colocando sensores de temperatura a la salida del colector y en la base del tanque de almacenamiento. También se puede limitar la temperatura del agua del tanque mediante un sensor que active un interruptor e impida el ingreso de agua más caliente al tanque, es decir, cierre la salida del colector. Por otra parte, la bomba puede ser impulsada por electricidad obtenida de un sistema fotovoltaico en cualquiera de sus modalidades. Figura 5. 7 Esquema de funcionamiento de un SST de lazo abierto directo. 22 5.5.2.5 SST forzado a glicol presurizado Los sistemas de glicol presurizado son sistemas lazo cerrado que utilizan una mezcla de agua y propilenglicol como líquido de transferencia de calor. Por ser de lazo cerrado, esta mezcla recorre siempre el mismo circuito cerrado entre el intercambiador de calor que se ubica en el tanque de almacenamiento y el colector solar. Este sistema requiere del uso de una bomba para impulsar el fluido de trabajo del tanque al colector por lo que forma parte de los sistemas activos. Además utiliza un tanque de expansión debido a que la mezcla aumenta su volumen cuando se expande y podría dañar la tubería que lo alberga. De este modo, el tanque asegura el volumen necesario por la mezcla al calentarse. Es una modalidad de calentador muy utilizada en climas fríos y donde abundan épocas de congelación ya que la mezcla agua-propilenglicol tiene propiedades anticongelantes que garantizan el funcionamiento del sistema todo el año. Figura 5. 8 Esquema de funcionamiento de un SST a glicol presurizado. 5.5.3 Sistemas micro-hidroeléctricos (SMH) Los sistemas micro-hidroeléctricos son básicamente mini centrales hidroeléctricas que se utilizan para aprovechar la energía del agua de un riachuelo o una quebrada cercana. Generalmente son usados para suplir de electricidad hogares o pequeños comercios que 23 demandan energía en lugares donde no hay servicio eléctrico o que simplemente debido a su alta demanda de energía representan un ahorro para el usuario. Para generar energía hidroeléctrica se necesita, un determinado caudal y una caída. Se entiende por caudal el volumen de agua que pasa en un tiempo determinado por una sección del rio y se mide en m 3 /s o L/s (1 m 3 /s = 1000 L/s). Cuando hablamos de caída, o salto bruto, nos referimos a la distancia medida en vertical que recorre el volumen de agua desde el punto de toma hasta el sitio de restitución del agua. Existe otro término que se debe tener claro cuando nos referimos a proyectos de generación hidroeléctrica, este término es el de caída neta, el cual consiste en la medida vertical o diferencia de elevación existente entre el sitio de toma y el punto de ubicación la turbina, tomando siempre en cuenta las pérdidas de carga en el sistema. Por tal motivo, para valorar el recurso hídrico y al mismo tiempo el desarrollo de un proyecto de este tipo se debe conocer: 1. La evolución del caudal a lo largo del año (un solo valor instantáneo del caudal no es significativo y esta medida se hace mucho más efectiva y acertada si el periodo de toma de muestra o medición es de un año ) 2. El salto o caída neta con que se cuenta. Si no existen datos hidrológicos del sitio donde se ubicara este tipo de sistemas, y se dispone de tiempo, se pueden medir los caudales a lo largo de un periodo, ya que, una serie de medidas instantáneas no tienen ningún valor. A continuación se presentan algunas formas prácticas de medir caudales. Aforo por disolución: La utilización de este método resulta idónea en los pequeños arroyos de montaña, donde debido a la rapidez de la corriente y a la escasa profundidad del cauce no se puede utilizar con éxito un molinete. Para calcular el caudal se inyecta en el curso del agua una solución de un producto químico, de concentración conocida y aguas abajo, a una distancia suficiente para que el producto se haya mezclado completamente se recogen muestras de agua. La solución puede inyectarse a un ritmo constante, durante un lapso de tiempo, o en una única dosis. Seguidamente las muestras del agua tomadas se analizan y se construye una curva concentración vs tiempo. Hasta hace unos años se utilizaban soluciones de sales de cromo y las muestras se analizaban por colorimetría, de esta forma el método es muy preciso, pero se 24 requiere de equipo costoso y personal calificado para la interpretación de los datos. Actualmente se trabaja con soluciones de cloruro de sodio (sal), y las mediciones tomadas aguas abajo se analizan de acuerdo a la variación de la conductividad eléctrica del agua, ya que existe una relación lineal entre esta última y la concentración en sal, a diferencia del anterior, el equipo necesario para medir la conductividad en estos casos es poco costoso. Mediante un recipiente con volumen conocido: Este método es utilizado para medir caudales de hasta 20 o 30 Litros/seg. Aproximadamente. Instrumentos necesarios: 1. Recipiente con volumen conocido 2. Cronometro de precisión Procedimiento Desviar el volumen de agua que se necesita medir hacia un recipiente grande de capacidad conocida y tomar el tiempo que tarda en llenarse. 5.5.3.1 SMH aislados sin banco de baterías Cuando se cuenta con un caudal constante y con suficiente potencial, se puede optar por utilizar sistemas de generación en CA directamente. Estos sistemas consisten en un acople turbina-generador que produzca una salida de tensión de 120 VCA o 240 VCA de la cual se pueden alimentar directamente las cargas necesarias. En esta clase de SMH se puede hacer uso también de las cargas de vertedero para aprovechar las demasías de energía generada, al igual que en el SMH descrito anteriormente. El uso de las cargas de vertedero permite mantener constante la carga del generador. En la figura 5.9 se puede apreciar un esquema de funcionamiento de este tipo de SMH. La única desventaja que tienen estos sistemas es que los picos de demanda de energía no pueden ser mayores que la capacidad nominal del generador ya que esta última depende de la caída natural del agua y del caudal que tenga la fuente de abastecimiento. Por lo tanto, estos sistemas necesitan ser de gran capacidad para lograr cubrir las demandas máximas generar suficiente energía para satisfacer todas las necesidades. 25 Figura 5. 9 Esquema de funcionamiento de un SMH. 5.5.3.2 SMH interconectado con la red de distribución sin banco de baterías. Estos sistemas producen energía eléctrica que es directamente inyectada a la red de distribución y a la vez a las cargas necesarias. Pueden generar en CA o en CD; sin embargo, la corriente directa debe ser pasada a través de un inversor para poder ser inyectada a la red o alimentar aquellas de las cargas que consuman sólo corriente directa. Estos SMH funcionan de manera similar a los SMH aislados con banco de baterías o los SMH aislados sin banco de baterías según generen en CA o en CD. La principal desventaja de esta clase de SMH es que están diseñados para que se apaguen en cuanto la red de distribución salga de servicio. Por esta razón, una vez que el circuito de distribución se abre, el sistema también deja de proveer electricidad a las demás cargas y queda fuera de servicio. 5.5.4 Sistemas eólicos a pequeña escala (SEPE) Los sistemas eólicos a pequeña escala son capaces de brindar energía eléctrica tanto en lugares remotos como en la misma ciudad. Esta versatilidad los hace muy utilizados en muchas partes del mundo en que abundan los vientos de velocidades aptas para la generación. Los aerogeneradores recogen la energía cinética del viento por medio de unas palas 26 fijadas a un rotor. Este rotor gira cuando el viento ataca las aspas y por medio de una flecha provoca el movimiento de un alternador de imanes permanentes que produce una tensión cuya magnitud y frecuencia dependen de la velocidad con que el viento ataque las palas del rotor del aerogenerador. En la mayoría de los casos el rotor va directamente conectado al generador con el fin de ahorrar tiempo de mantenimiento de engranajes. Sin embargo, para los sistemas eólicos con potencias mayores a los 20 kW se utilizan engranajes entre el generador y el rotor de la turbina para hacer el girar el generador a velocidades altas aun cuando el rotor gira a una menor. Existen distintos tipos de sistemas eólicos de sistemas eólicos a pequeña escala. Estos se definen a continuación:  Sistemas eólicos aislados  Sistemas eólicos interconectados con la red de distribución sin banco de baterías  Sistemas eólicos interconectados con la red de distribución con respaldo de banco de baterías  Sistemas eólicos de suministro directo 5.5.4.1 SEPE aislados. Este tipo de sistema eólico funciona guardando la energía generada en baterías para su posterior uso. No se encuentra interconectado a la red distribución por lo que toda la energía generada es consumida por el usuario. En caso de que se genere más energía de la que se puede almacenar, un controlador de carga se encarga de enviar esta energía a cargas de vertedero para evitar el daño de las baterías. Para alimentar las cargas en CA se utiliza un inversor a la salida del banco de baterías. La figura 5.10 ilustra cómo está compuesto esta clase de sistema eólico. Estos sistemas están limitados por la capacidad del equipo utilizado para la generación de energía, las fuentes de abastecimiento y las baterías. Esto obliga al usuario a acomodar su consumo energético a la capacidad del mismo. 27 Figura 5. 10 Esquema de funcionamiento de un SEPE aislado. 5.5.4.2 SEPE interconectados con la red de distribución con respaldo de baterías y sin respaldo de baterías. Los sistemas eólicos interconectados con la red funcionan de manera similar a otros sistemas interconectados a la red previamente explicados como los fotovoltaicos y los micro-hidroeléctricos; por lo tanto, sólo se comentarán sus ventajas y desventajas. Los beneficios de interconectarse con la red de distribución local son numerosos; el principal de ellos es el hecho de que esta clase, al contar con un banco de baterías, puede siempre mantenerse en funcionamiento sin importar que la red salga de servicio. No obstante, en ausencia del servicio de distribución momentáneamente, se debe limitar el consumo a la capacidad del equipo con el cual se cuenta. Por otra parte, el no utilizar banco de baterías presenta beneficios como el librar al usuario del mantenimiento de las mismas, hace más económico el sistema en cuanto a costos de inversión y aumenta la eficiencia del sistema. También es una manera de reducir los posibles desechos al final de la vida útil de las baterías. No obstante siempre está presente la desventaja de que si se interrumpe el servicio eléctrico el sistema se apagará automáticamente dejando sin energía las cargas correspondientes. También el desempeño de los sistemas sin baterías puede aumentar debido a que la electrónica interna del inversor logra asociar la carga a la velocidad de la turbina con mayor exactitud haciéndola girar a una velocidad óptima para un máximo aprovechamiento de la 28 energía disponible. Figura 5. 11 Esquema de funcionamiento de un SEPE interconectado a la red con respaldo de baterías. Figura 5. 12 Esquema de funcionamiento de un SEPE interconectado a la red sin respaldo de baterías 5.5.4.3 Sistemas eólicos de suministro directo Es el tipo menos popular de los sistemas eólicos ya que no posee ningún medio de almacenamiento de la energía generada. Usualmente es simplemente controlada la potencia del generador para utilizarla directamente en funciones de riego o almacenamiento de agua en un tanque a cierta altura mediante la activación de una bomba. En la figura 5.13 se observa un diagrama de los componentes del sistema. 29 Algunos de los sistemas de energía renovable estudiados utilizan generadores eléctricos de respaldo. Estos simplemente son utilizados con el fin de brindar confiabilidad y asegurar la continuidad del servicio eléctrico en caso de que se presenten problemas en la red de distribución eléctrica local, averías del algún componente del sistema o quizá para sacar a mantenimiento preventivo un conjunto de componentes determinado. Figura 5. 13 Esquema de funcionamiento de un SEPE de suministro directo. 5.5.5 Componentes auxiliares de los sistemas de energía renovable Los sistemas basados en fuentes de energía renovable incluyen diferentes componentes que realizan funciones adicionales a los procesos de conversión de energía. En la tabla 5.1 se pueden ver algunos detalles de funcionamiento de estos componentes y sus aplicaciones. Tabla 5. 1 Componentes auxiliares de los sistemas de energía renovable. Componentes Aplicaciones Interruptor de CD del arreglo fotovoltaico Sistemas fotovoltaicos: Interruptor utilizado para la interrupción de manera segura del flujo de corriente desde el arreglo fotovoltaico hacia las cargas en caso de mantenimiento o falla del equipo. 30 Controlador de carga Sistemas fotovoltaicos: protege el banco de baterías de una sobrecarga o de una descarga muy profunda, cuando las baterías ya están cargadas completamente, desconecta los arreglos de las baterías. Sistemas eólicos: Cuando las baterías se cargan por complete, se encarga de mandar la energía sobrante a las cargas de vertedero. En muchos casos son fabricados para trabajar como inversores a la vez. Sistemas micro-hidroeléctricos: Mantiene el generador cargado a una potencia adecuada, previene la sobrecarga de las baterías, activa las cargas de vertedero, controla la tensión y la frecuencia en sistemas que generan en CA directamente. Banco de baterías Sistemas fotovoltaicos: almacenan energía eléctrica para poder ser utilizada en las noches o en días nublados, Para sistemas aislados se diseñan usualmente para que funcionen durante 1 o 2 días. Para sistemas interconectados, proveen de energía eléctrica durante los fallos en la red. Sistemas eólicos: generalmente, se diseñan para almacenar energía suficiente para 3 días sin viento. Sistemas micro-hidroeléctricos: Almacenan la energía extra en momentos en que se genere más de lo que se produce. Medidor del sistema Para todo tipo de sistemas de energía renovable, es utilizado para poder medir la carga de las baterías, la energía consumida y la energía generada por la aplicación. Interruptor principal de CD Utilizado en sistemas micro hidroeléctricos y en sistemas eólicos para desconectar de manera segura el inversor del banco de baterías en caso de una falla o de mantenimiento preventivo. 31 Inversor Son usados en todo tipo de sistemas para la conversión de energía en CD a energía en CA. En el caso de sistemas interconectados, sirven también para sincronizar la aplicación de energía renovable con la red de distribución local. En algunos casos incluyen cargadores de baterías para poder cargar un banco con energía de la red o de un generador de respaldo. Panel de disyuntores de CA Contiene todos los disyuntores que guían la electricidad desde la fuente de CA o el inversor, hasta los diferentes puntos de consumo de las viviendas. Permiten la desconexión de la alimentación a partir de funciones térmicas de protección en caso de falla del sistema por sobrecarga de algún circuito ramal y evita la propagación de incendios. Medidor de kilowatt-hora Sirve para medir energía consumida por cargas determinadas o también para medir la energía generada o inyectada a la red en sistemas interconectados con la red de distribución. Generador eléctrico de respaldo Son utilizados para satisfacer los faltantes de electricidad en períodos en que las aplicaciones de energía renovables ya mencionadas no puedan generar la energía suficiente para alimentar las cargas satisfactoriamente debido a las condiciones climáticas o geográficas. Pueden ser operados con gasolina, biodiesel, propano, gas LPG o diesel según sus especificaciones, además pueden conectarse a un rectificador para producir energía en CD que pueda ser utilizada para cargar un banco de baterías. 32 Colector solar Aparato formado por una red de tubos a través de los cuales circula el fluido de trabajo en un sistema solar de agua caliente. Existen diferentes tipos, de placa, planos, de caja, de tubos al vacío. Tanque de almacenamiento Tiene como uso principal el almacenamiento del agua en sistemas solares de agua caliente y en la mayoría de los casos posee un calentador eléctrico de respaldo para casos en que no haya una cantidad considerable de radiación solar disponible y consecuentemente el colector no pueda capturar mucha energía térmica. Bomba de agua Son utilizadas en los sistemas forzados o activos para hacer circular el fluido de trabajo del sistema entre el colector y el tanque de almacenamiento. Su potencia depende de la distancia entre estos últimos dos componentes y pueden ser alimentadas en CA o en CD. Intercambiador de calor Son utilizados en los sistemas solares de calentamiento de agua a lazo cerrado debido a que el líquido de trasferencia suele ser propilenglicol o agua destilada. Estos permiten la transferencia de calor evitando la mezcla de los fluidos interactuantes. Pueden encontrarse dentro de los tanques de almacenamiento si son de tipo interno o estar visibles si son de tipo externo. 33 6. Generalidades de equipo de generación de energía renovable para uso residencial. 6.1 Sistemas de calentamiento de agua potable Los sistemas solares de calentamiento de agua potable de uso residencial disponibles en el país básicamente son los de tipo termosifón y los de tipo forzado o activos. 6.1.1 Capacidades Las capacidades varían dependiendo del tamaño de la vivienda y de la demanda de agua caliente que esta va a tener, principalmente por los diferentes usos de la misma que existen en la casa. Esto influye en el tamaño del tanque de almacenamiento y en la necesidad de utilizar una bomba de mayor o menor potencia para llevar el agua al lugar de uso final. El sistema más básico disponible es el sistema termosifón. Cuenta con una capacidad de 53 galones de agua en su tanque y es capaz de abastecer las necesidades de agua caliente potable de 4 personas en una vivienda de reducidas dimensiones. Este sistema posee una resistencia de calefacción en el tanque para ser utilizada como respaldo en épocas frías o cuando la radiación solar no esté dando abasto para satisfacer la demanda de la casa. Luego a este le sigue el sistema forzado que cuenta con mayor equipamiento eléctrico ya que posee una bomba de potencia variable, según el caso, para hacer llegar el agua al lugar determinado de la edificación. Existen en capacidades de 60 a 400 galones por tanque. 6.1.2 Costos. Los costos de los sistemas más básicos, según sean termosifón o forzados, empiezan aproximadamente en los $1800 y los $3000 3 respectivamente, incluyendo la instalación en cualquier parte del país. Es posible ver que la inversión inicial es alta a pesar de ser los sistemas más básicos de su clase. Dependiendo del tamaño del suministro requerido de acuerdo a las dimensiones de la residencia y la cantidad de usuarios, puede ser necesario el acople da varios sistemas termosifón o de varios sistemas forzados con lo que el costo del sistema total crece aún más. 34 6.1.3 Instalación Para asegurar la eficiencia de los SST se deben de colocar primeramente en un lugar adonde no les cubra una sombra de ningún tipo con el fin de mantenerlos expuestos a la radiación solar siempre. Además, es necesario que su ubicación tenga una orientación hacia el sur pues es esta la que va a garantizar mayor cantidad de radiación recibida durante el día, así como también una se sugiere una inclinación de 20°. Es importante también considerar que la superficie del colector requiere de una limpieza cada cierto tiempo por la razón de que se llega a ensuciar con polvo, impurezas, hojas en algunos casos y en ocasiones se llega a formar musgo sobre él debido a las lluvias que ocurren en el lugar geográfico de ubicación del SST. Entre más limpio esté el colector, más radiación logrará capturar y ofrecerá un mejor suministro de agua caliente. En el caso del tanque de almacenamiento, se debe de realizar el cambio de un ánodo de magnesio que se encuentra dentro de él para evitar que la corrosión ataque el recipiente. Esta pieza logra capturar la corrosión y evita que el tanque se deteriore; sin embargo, cada cuatro años es necesario reemplazarlo por uno nuevo para mantener el sistema de almacenamiento en buenas condiciones. Para mayor eficiencia de los SST es necesario proveer al colector de una buena ubicación para que pueda capturar la mayor cantidad de radiación solar durante el día. Esta orientación en orden de prioridad se encuentra colocando el colector en dirección sur, sureste o en el peor de los casos hacia el este. La superficie colectora del SST debe de tener 20° de inclinación para así complementar la latitud del lugar geográfico adonde se encuentre instalado el sistema, esto para tratar de que siempre la radiación incida lo mayormente perpendicular sobre el colector. 6.1.4 Vida útil Siempre y cuando se le brinde el correcto mantenimiento al sistema, este puede alcanzar a tener una vida útil de 25 años para el colector y de 12 años para el tanque de almacenamiento. Además, los fabricantes brindan 5 años de garantía para el colector y 2 años de garantía para el resto del sistema instalado. 3- Fuente: Verdiplus. Costa Rica 35 6.1.5 Ventajas y desventajas de los SST Los SST cuentan con la ventaja de no requerir un suministro eléctrico constante para calentar el agua debido a su eficiencia en la conversión de la energía de la radiación solar. Como se sabe, la energía solar es una energía limpia, renovable y gratis para cualquier ser humano. Además, los sistemas de calentamiento de agua potable constituyen una alternativa más a la reducción del consumo eléctrico en el hogar. Los SST son fabricados con materiales y tecnologías avanzadas por lo que son duraderos y aptos para cualquier tipo de vivienda. Por otra parte esta aplicación recién cobra importancia y por lo tanto las tecnologías de fabricación son costosas; esto conlleva a que los sistemas no son accesibles para familias que cuentan con escasos recursos económicos. 6.2 Paneles fotovoltaicos. 6.2.1 Capacidades Los paneles fotovoltaicos se encuentran disponibles una gran gama de capacidades. Generalmente para uso residencial o comercial, se pueden encontrar desde 1 W de potencia pico hasta los 210 W. Según el modelo, tienen diversas tensiones de operación desde los 6V siguiendo con 12V, 18V, 36V y 24V dependiendo también de la potencia entregada. Sin embargo, muchos fabricantes no distribuyen alrededor del mundo toda la variedad. Se encargan de distribuir los modelos de diferentes potencias en distintas zonas del planeta. Usualmente en las viviendas, sin dejar de lado que depende de las cargas que se quieren alimentar, se utilizan paneles de 20 W en adelante. 6.2.2 Costos Los costos de los módulos fotovoltaicos están asociados a muchos aspectos técnicos de los mismos; entre ellos la eficiencia, la tecnología a la que pertenecen (mono-cristalinos, poli- cristalinos o amorfos), la marca, la potencia pico y también el país en que se encuentre el consumidor. Esto último se debe a que no en todo lugar se pueden importar estos dispositivos con los mismos costos de transporte o impuestos y demás. Para las diferentes potencias en Watts se pueden hallar diferentes intervalos En la tabla 6.1 se pueden ver algunos intervalos de precios para diferentes paneles fotovoltaicos. Como es posible ver en algunos casos hay variabilidad en los precios de los módulos 36 disponible en el mercado. Esto se debe a diferencias en las tensiones nominales, fabricantes, tecnologías y otros aspectos. Tabla 6. 1 Precios aproximados de paneles fotovoltaicos en la actualidad 4 . Capacidad [W] Precio aproximado [$] 20 230-235 30 228 40 260 50 275-420 60-65 370-385 75 690-700 80-85 420-780 120-130 610-625 165 745-769 170-175 870-895 180-185 815-820 200-210 927-965 6.2.3 Eficiencia La eficiencia de los paneles fotovoltaicos variará según la tecnología de fabricación de los mismos, principalmente la eficiencia se verá afectada por la calidad de los materiales con los que ellos son elaborados. No se profundizara en las diferentes tecnologías de fabricación de estos equipos pues no es el alcance real del proyecto. Generalmente la eficiencia de los módulos fotovoltaicos se encuentra entre un 10% y un 20%. Esta cualidad varía considerablemente el costo de los mismos debido a que obviamente entre más eficiente sea el panel, más energía será capaz de generar y por lo tanto más costoso será. 4- Precios obtenidos de la página web: http://www.house-energy.com/Solar/Prices-PV.htm 37 Se debe de considerar que los módulos fotovoltaicos, también vienen especificados para una cantidad de radiación solar y una temperatura. Según la teoría, los paneles suelen reducir la eficiencia a como aumenta la temperatura de las celdas; sin embargo, resulta irónico pensar que en los techos, lugar de usual instalación de los mismos, no se eleve la temperatura de los paneles. En realidad los techos aunque reciben mucha luz solar, por estar en lugares altos reciben también una gran cantidad de ventilación; esto permite que las celdas se mantengan a una temperatura aceptable y por lo tanto no se reduzca demasiado su capacidad de generación. Asociado también al tema de la eficiencia se encuentra la orientación de los arreglos fotovoltaicos; estos dispositivos tienen que ser orientados preferiblemente de la misma manera que se discutió para los aparatos colectores de los SST. Esto proporcionará a las celdas fotovoltaicas mayor radiación disponible durante el día y por lo tanto mejorará la cantidad y calidad de la potencia entregada a las cargas. También, se le debe de dar el mínimo mantenimiento requerido para su buen funcionamiento; este consta de una limpieza periódica de la superficie de las celdas colectoras. 6.2.4 Vida útil Generalmente los paneles fotovoltaicos, son fabricados bajo tecnologías que los hacen perdurar cerca de 25 años operando de manera satisfactoria para el cliente. Hay aun así casos en que los mismos llegan a operar por períodos más largos que los esperados debido al buen mantenimiento que se les ha dado y a la calidad de los módulos adquiridos desde el principio. 6.2.5 Ventajas Fiabilidad: Los arreglos fotovoltaicos impiden las fallas de energía en situaciones donde se necesita una operación continua de las cargas alimentadas. Durabilidad: A pesar de ser garantizados para una operación de 25 años, los módulos fotovoltaicos pueden operar durante mayores intervalos de tiempo sin necesidad de ser reemplazados; esto siempre y cuando se le brinde el mantenimiento requerido. Bajos costos de mantenimiento: En comparación a los sistemas que utilizan combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica, estos sistemas requieren solamente de inspecciones periódicas y mantenimiento ocasional para su funcionamiento. Esto resulta en un menor costo para el usuario de esta aplicación. No hay costo asociado a consumo de combustible: Como el sistema no necesita de ningún combustible para funcionar, los costos de 38 adquisición son nulos. Además, el no consumir combustibles fósiles ayuda a preservar el ambiente sano ya que es un sistema cero emisiones. Reducción de la contaminación sonora: los sistemas fotovoltaicos operan de manera silenciosa y con movimientos mínimos. Modularidad fotovoltaica: Los módulos fotovoltaicos se pueden añadir de forma gradual al sistema, de forma que se pueda aumentar capacidad instalada y la energía disponible Independencia: Este tipo de generación es apta para lugares remotos en lo que se quiera o se tenga una independencia de la red de suministro eléctrico. Desempeño en grandes alturas: El incremento de la radiación solar a grandes alturas sobre el nivel del mar optimiza la salida de energía, y por lo tanto crea una ventaja para el uso de sistemas fotovoltaicos. A diferencia de los módulos fotovoltaicos, los generadores disminuyen su capacidad conforme aumenta la altura de su ubicación por lo que resulta más eficiente un arreglo fotovoltaico que una planta de emergencia. 6.2.6 Desventajas Costo inicial: Al tratarse de una tecnología relativamente nueva, los sistemas fotovoltaicos requieren de una inversión inicial alta y en algunos casos es inaccesible para familias de escasos recursos económicos con necesidades de energía eléctrica. Variabilidad de la radiación solar disponible: Los cambios de clima afectan en gran medida este tipo de sistema energético por encontrarse basado en la energía solar muchas veces no disponible en épocas del año. Almacenamiento de energía: algunos sistemas fotovoltaicos, especialmente los pertenecientes a sistemas autónomos, utilizan baterías para el almacenamiento de energía, con lo cual se incrementa el tamaño, costo y complejidad del sistema. Aumento de la eficiencia: El uso de la tecnología fotovoltaica requiere de un consumo eficiente de energía, haciendo necesario el reemplazar los dispositivos ineficientes de la vivienda para disminuir el costo de la inversión inicial. 6.3 Aerogeneradores a pequeña escala 6.3.1 Requerimientos de instalación Para instalar una turbina eólica de uso residencial en un lugar determinado, se deben de 39 cumplir ciertas condiciones físicas en la zona para que el proyecto sea viable. La principal de ellas consiste en la disponibilidad del recurso eólico a velocidades mayores o iguales a los 5 m/s en alguna dirección. Esta característica se puede cumplir a algunos metros de altura sobre el terreno dependiendo de la localidad en que se desee ubicar el aerogenerador. También, se debe de contar con espacio suficiente para el levantamiento de la torre que mantendrá a una altura previamente determinada la turbina. Para el estudio de la zona se puede recurrir a la colocación de anemómetros a diferentes alturas con el propósito de registrar el comportamiento durante varios meses del año y así poder sacar conclusiones sobre si se puede o no instalar un SEPE y de ser así, a qué alturas es r ecomendable colocar la turbina. Otro método utilizado consiste en un análisis de la vegetación del área en que se quiere producir la energía para así observar las deformaciones que los árboles sufren debido a las velocidades del viento que sopla en una dirección dada. Por medio de estimaciones se puede calcular la velocidad y dirección del viento disponible así como la máxima potencia a aprovechar con la aplicación. 6.3.2 Tipos Los aerogeneradores pueden dividirse en distintos tipos, según sean de eje horizontal o vertical, el número de aspas que presentan o según la forma en que son capaces de re- direccionar el viento. A continuación se da una breve explicación sobre las categorías en que se pueden encontrar las turbinas eólicas disponibles en el mercado. 6.3.2.1 Por número de aspas De un aspa: Están constituidos por una única pala y un contrapeso. Este tipo de aerogenerador presenta velocidades de giro muy elevadas. De dos aspas: Cuentan con dos palas. Son los más económicos y ligeros que existen en el mercado, sin embargo, necesitan una velocidad mayor para producir la misma cantidad de energía que el resto. De tres aspas: La mayoría de los aerogeneradores presentan esta constitución, la principal razón es que presentan un 4% más de rendimiento que los de dos aspas. Multipalas: Presenta múltiples palas y normalmente es utilizado para la extracción de agua en pozos. Este tipo de aerogeneradores no es muy común. 40 6.3.2.2 Por la forma en que se redireccionan respecto al viento Mediante conicidad: Corresponden a aquellos que utilizan un motor para posicionar la góndola en cada momento, dependiendo de la dirección en la que sople el viento. Mediante veleta: Utilizan una aleta en la parte anterior de la góndola, el viento choca transversalmente con este elemento, y mueve todo el conjunto. Este método solo es apto en pequeños equipos de poco peso. Mediante molinos auxiliares: Se trata de construir varios molinos en distintas caras de la góndola, de esta manera se consigue que gire uno u otro dependiendo de la dirección del viento. Este es un sistema poco utilizado. 6.3.3 Capacidades Los aerogeneradores eólicos son fabricados para diferentes tensiones nominales de operación en CD. Estas son similares a los valores utilizados para la generación con paneles fotovoltaicos, se pueden encontrar disponibles en 12, 24 o 48 V en la mayoría de los casos. Para hablar en términos de potencias nominales disponibles se puede decir que el rango de valores de estas para uso residencial puede variar entre 40 W y 20 kW por aerogenerador. 6.3.4 Costos El costo de una pequeña turbina eólica oscila entre $1500 y $3000 por kilowatt de potencia. A este valor del aerogenerador, se le deben agregar los costos de otros componentes a utilizar para la generación como la torre, el inversor, el controlador de carga, los materiales utilizados y la mano de obra en caso de que se contrate a personal para realizar la instalación del equipo en su totalidad. En general, el costo de la turbina puede representar entre 25% y un 50% del valor total del sistema; Un sistema completo típico cuesta entre US$ 2000 y US$ 4000 por kW disponible. En la tabla 6.2 se pueden ver algunos de los intervalos de precios para diferentes valores potencia de las turbinas disponibles en el mercado actual. 41 Tabla 6. 2 Precios aproximados de aerogeneradores eléctricos en el mercado en la actualidad 5 . Capacidad [W] Precio aproximado [$] Capacidad [W] Precio aproximado [$] 40 - 60 563 - 981 1200 - 1300 6636 - 6875 100 - 120 870 - 2430 1400 10777 200 - 250 1403 - 2508 1500 16209 300 - 350 667 - 4066 1800 5069 - 20938 400 - 450 351 -3835 2000 1830 - 11544 500 844 - 4623 2500 3872 - 25608 600 2348 - 16786 3000 5471 - 21123 750 1158 - 3901 5000 - 5800 7548 - 42239 800 1403 - 8753 6000 31327 900 5188 8000 - 8600 18727 - 20980 1000 1196 - 22236 10000 16889 - 37155 La variabilidad existente y notable de precios entre diferentes turbinas de la misma capacidad, radica plenamente en las diferencia de tecnologías con que son fabricadas ya que existen muchos fabricantes alrededor del mundo. También son variables los costos de estas aplicaciones debido a su diferencia entre los tipos de las mismas. 6.3.5 Vida útil Un sistema eólico cuenta con una vida útil entre 15 y 20 años, siempre y cuando se le brinde un mantenimiento adecuado. Además, los fabricantes brindan de 1 a 3 años de garantía contra fallos de diseño y defectos de los materiales con que están construidos. 6.3.6 Ventajas Lo sistemas eólicos presentan varias ventajas, entre las cuales se pueden destacar las siguientes: 5-Precios obtenidos de la página web: www.allsmallwindturbines.com http://www.allsmallwindturbines.com/ 42 Impacto mínimo al medio ambiente: este medio de generación de energía no emite sustancias tóxicas o gases, evitando la contaminación del aire, agua y del suelo. Además, la producción de energía por medios eólicos no contribuye al efecto invernadero ni al calentamiento global. Utiliza el viento como recurso: Se estima que existe un potencial de energía eólica para suplir 15 veces la demanda actual de energía en el mundo, ya que el viento es una fuente de energía inagotable y abundante. No utiliza combustibles: al abastecerse de un recurso natural que no tiene costo, se considera que es una de las fuentes más baratas para producir energía eléctrica. Es capaz de competir en rentabilidad económica con otras fuentes tradicionales como las centrales térmicas de carbón o con la energía nuclear, la cual tiene un impacto ambiental mucho mayor. Operación simple: el sistema no requiere mayor mantenimiento, aparte de una revisión periódica de las baterías, en caso de tenerlas, y una limpieza de las aspas en épocas secas. Plazo de construcción relativamente rápido: si la etapa de pre-construcción ha sido cuidadosamente planificada y ejecutada, un parque eólico de 50 MW puede ser instalado en un año. 6.3.7 Desventajas Entre las desventajas de un sistema eólico se presentan las siguientes: Variabilidad del viento: para proyectos aislados se requiere de un mecanismo de almacenamiento en batería de la energía generada, para poder disponer de energía cuando no haya suficiente viento. Esto representa un costo adicional al sistema. Alto costo inicial: en comparación con fuentes térmicas de generación, un sistema eólico tiene un alto costo inicial. A pesar de que puede resultar más económico a largo plazo por sus bajos costos de operación y mantenimiento, la inversión inicial requerida puede ser una barrera para la realización del proyecto. Cantidad de viento: los aerogeneradores son una opción factible y rentable sólo en sitios con suficiente viento, por lo cual no pueden ser aplicados en cualquier lugar. Impacto visual: desde el punto de vista estético, producen una alteración sobre el paisaje, ya que por sus características deben ser ubicados en cerros, colinas o litorales, en donde la 43 presencia de los aerogeneradores puede resultar molesto para las personas. 6.4 Mini-turbinas hidráulicas 6.4.1 Requerimientos de instalación Para instalar una mini-turbina hidráulica se deben de cumplir ciertos requerimientos geográficos en la zona en que se desea construir la mini-central de generación. Se prefiere que existan ríos empinados o con un caudal considerable de forma cercana a la localización de las obras civiles, esto con el fin de ahorrar dinero en tuberías para llevar el agua hacia la toma del sistema. En general, es importante e imprescindible que el recurso hídrico se mantenga constante durante todo el año, o que por lo menos no deje de existir un caudal aprovechable para la conversión. Todas estas condiciones se dan usualmente en lugares montañosos en los que las lluvias constantemente aparecen o abundan. Antes de instalar la mini-turbina se debe realizar un estudio de los recursos hídricos de la zona para calcular la cantidad de potencia disponible para generar la electricidad. Para esto es necesario hacer mediciones de caída y caudal del río, riachuelo o quebrada que se quiere aprovechar. Cabe resaltar que para cada combinación de caída con caudal existen valores distintos de potencia eléctrica que se pueden producir; sin embargo, hay valores mínimos de caída y de flujo de agua que merecen ser explotados. Estas medidas son 1m y 0.60 l/s respectivamente. Idealmente se deben realizar medidas durante un año para lograr conocer los parámetros del río de manera segura; no obstante, esto no es práctico ni económico para un usuario residencial, por lo tanto, se puede recurrir a datos registrados por entes municipales o de algún organismo encargado de realizar mediciones hidrográficas del país. 6.4.2 Tipos 6.4.2.1 Turbina Pelton Es muy parecida a las turbinas Pelton utilizadas a las turbinas que son utilizadas en las grandes centrales. Puede ser de eje vertical u horizontal y suele ser utilizada en lugares con caídas de algunos centenares de metros y caudales pequeños. Su velocidad puede ser regulada por medio de inyectores que dirigen los chorros de agua hacia los pequeños álabes de la turbina. Sus álabes están formados por cucharas dobles (Ver figura 6.1). 44 Figura 6. 1 Rodete de una mini-turbina Pelton. Ocupa por lo general poco espacio en casa de máquinas y tiene una alta eficiencia. Son el tipo más utilizado en las mini-centrales, porque son las más adecu