Universidad De San Carlos De Guatemala. Facultad de Ingeniería. Escuela De Ingeniería Mecánica. Área Complementaria. Complementaria. Máquinas Hidráulicas. Catedrático: Ing. José Ismael Véliz Padilla.
Índice PRÁCTICA No. 1 – AFORO DE BOMBAS HIDRÁULICAS ...................... ............................................ ...................... 2 MARCO TEÓRICO............................................................................................................... 2
CONCEPTO DE MÁQUINAS MÁQUI NAS HIDRÁULICAS HI DRÁULICAS ............................................. ........................................................... .............. 2 MÉTODOS DE AFORO PARA BOMBAS HIDRÁULICAS ......................................... 2 AFORO VOLUMÉTRICO VOLUMÉTRI CO............................................. ........................................................................................... .............................................. 2 MÉTODO DE ÁREA – VELOCIDAD VELOCIDAD PARA MEDIR EL GASTO ............................... 3 AFORO DE BOMBAS CUANDO SE TIENEN CHORROS VERTICALES ................... 4 AFORO POR COORDENADAS DEL CHORRO. ..................................................... 5 EQUIPO DE BOMBEO BO MBEO .............................................................................................. .............................................................................................. 6 BOMBA HORIZONTAL HORIZONT AL ................................................ .............................................................................................. .............................................. 6 BOMBA SUMERGIBLE SUMERGIBL E................................................. ............................................................................................... .............................................. 7 AFORO POR COORDENADAS COORDENADA S ................................................. ............................................................................... .............................. 8 DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA ........................................................................................ 8 EQUIPO .............................................. ............................................................................................... ....................................................................... ...................... 9 DATOS DE LABORATORI LAB ORATORIO O .................................................................. ...................................................................................... .................... 9 CÁLCULOS .......................................................................................................................... 9 Cálculos Bomba Horizontal ............................................. ................................................................................... ...................................... 9 Cálculos Bomba Sumergible .............................................................................. 10 PRÁCTICA No. 2 – TURBINAS, TURBINAS, PANELES SOLARES Y ARIETE HIDRÁULICO ............. ............. 11 MARCO TEÓRICO............................................................................................................. 11 TURBINAS TURBIN AS HIDRÁULICAS HIDRÁULI CAS ............................................ ........................................................................................ ............................................ 11 Tipos de turbina que se utilizan util izan en Guatemala ............................................. ................................................. 12 Energía renovable ............................................................................................ ................................................................................................ .... 13
1
Generadores Eléctricos ....................................................................................... ....................................................................................... 13 Ariete hidráulico hidráuli co............................................... .................................................................................................. ....................................................... 13 Inclusor de aire ................................................. .................................................................................................... ....................................................... 14 Energía Eólica ................................................... ...................................................................................................... ....................................................... 16 ENERGÍA SOLAR................................................................................. SOLAR..................................................................................................... .................... 18 CÁLCULOS ........................................................................................................................ 21 DATOS INVESTIGADOS: INVESTI GADOS: ............................................. ......................................................................................... ............................................ 21 DATOS DADOS EN EL LABORATORIO: ................................................................ 21 CALCULOS (trabajados en tabla resumen, con fórmulas de cálculo):....... cálculo):....... 21
PRÁCTICA No. 1 – AFORO AFORO DE BOMBAS HIDRÁULICAS MARCO TEÓRICO CONCEPTO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS Una máquina hidráulica es una variedad de máquina de fluido que emplea para su funcionamiento las propiedades de un fluido incompresible incompresible o que se comporta como tal, debido a que su densidad en el interior del sistema no sufre variaciones importantes. Convencionalmente se especifica para los gases un límite de 100 mbar para el cambio de presión; de modo que si éste es inferior, la máquina puede considerarse hidráulica. Dentro de las máquinas hidráulicas el fluido experimenta un proceso adiabático, es decir no existe intercambio de calor con el entorno. MÉTODOS DE AFORO PARA BOMBAS HIDRÁULICAS El objetivo de realizar estas pruebas es llegar a conocer adecuadamente el funcionamiento de los pozos y del acuífero con el fin de explotar a este último adecuadamente. Cada una de ellas tiene una finalidad y se puede obtener datos acerca de las características hidráulicas del funcionamiento de los pozos y del acuífero que explotan. Existen varias pruebas de aforo, ellas dependen del tiempo que se utilice para realizarla; una de ellas es mínimo de 24 horas y el agua debe caer libre sin tope, o sea que la descarga es libre, hay pruebas largas de 96 horas y pruebas escalonadas aplicadas en periodos de tiempo con diferentes caudales para probar el nivel estático.
AFORO VOLUMÉTRICO El método consiste en tomar el tiempo que demora en llenarse un recipiente de volumen conocido. Posteriormente Posteriormente se divide el volumen en litros entre el tiempo promedio en segundos, obteniéndose el caudal en lt/s. Este método se aplica cuando la corriente o vertimiento presenta una caída de 2
agua en la cual se pueda interponer un recipiente; se requiere un cronómetro y un recipiente aforado (balde de 10 o 20 litros con graduaciones de 1 L, o caneca de 55 galones con graduaciones de 1 a 5 galones). Se utiliza un balde para caudales bajos o una caneca cuando se deban manejar grandes caudales. El recipiente debe ser colocado bajo la corriente o vertimiento de tal manera que reciba todo el flujo; simultáneamente se activa el cronómetro. Este proceso inicia en el preciso instante en que el recipiente se introduce a la corriente o vertimiento y se detiene en el momento en que se retira de ella. Se toma un volumen de muestra cualquiera dependiendo de la velocidad de llenado y se mide el tiempo transcurrido desde que se introduce a la corriente o vertimiento hasta que se retira de ella. El caudal se calcula de la siguiente manera:
= /
Donde: Q = Caudal en litros por segundo, L/s V = Volumen en litros, L T = Tiempo en segundos, s Este método tiene la ventaja de ser el más sencillo y confiable, siempre y cuando el lugar donde se realice el aforo garantice que al recipiente llegue todo el volumen de agua que sale por la corriente o vertimiento; se debe evitar la pérdida de muestra en el momento de aforar, así como represamientos que permitan la acumulación de sólidos y grasas. Este método es de fácil utilización en el caso que el suelo donde se disponga la caneca sea firme y no permite que esta se hunda o se mueva. Dentro de los principales problemas que se pueden presentar es la manipulación de las canecas por su peso exagerado.
MÉTODO DE ÁREA – VELOCIDAD PARA MEDIR EL GASTO En este método se utiliza el principio de continuidad a través de la ecuación para flujo incompresible Q= A x V. El área perpendicular al flujo es sencilla de obtener en un conducto circular a presión, midiendo su diámetro, 3
d, y calculando con:
= ∅ 4
En cambio, en conductos a superficie libre el cálculo del área es complicado, puesto que depende de la forma geométrica el conducto y de la superficie libre del agua, que en el caso de corrientes naturales es totalmente irregular. Para el caso de secciones geométricas sencillas utilizadas en canales, como el rectángulo o el trapecio, las fórmulas que determinan el valor del área transversal se simplifican bastante. Las fórmulas para calcular el área transversal de secciones en canales regulares son sencillas:
En las fórmulas anteriores A es el área hidráulica; b es el ancho de la parte inferior del canal (normalmente llamada lantilla); es la profundidad (también llamada tirante); y k es el talud de las paredes del canal. Por su parte, la velocidad media V, del escurrimiento de agua se mide con algunos de los dispositivos siguientes: Flotador y reloj, Molinetes, Propelas, Tubos Pitot, Aparatos ultrasónicos y, Equipos electromagnéticos.
AFORO DE BOMBAS CUANDO SE TIENEN CHORROS VERTICALES Si la corriente se puede desviar hacia una tubería de manera que descargue sometida a presión, el caudal se puede calcular a partir de mediciones del chorro. Si la tubería se puede colocar de manera que la descarga se efectúe verticalmente hacia arriba, la altura que alcanza el chorro por encima del extremo de la tubería se puede medir y el caudal se calcula a partir de una fórmula adecuada. Es asimismo posible efectuar estimaciones del caudal a partir de mediciones de la trayectoria desde tuberías horizontales o en pendiente y desde tuberías parcialmente llenas, pero los resultados son en este caso menos confiables.
4
Q en metros cúbicos por segundo; D y H en metros. Si H < 0,4 D utilícese la ecuación (1) Si H > 1,4 D utilícese la ecuación (2) Si 0,4D < H < 1,4D calcúlense ambas ecuaciones y tómese la media.
AFORO POR COORDENADAS DEL CHORRO. Para aplicar este método es necesario que la tubería de descarga esté perfectamente horizontal y construir una regla como la que se muestra en el esquema.
La característica de esta regla es que uno de sus lados debe medir 25 cm., mientras que por el otro lado se traza una escala en cm. para facilitar las lecturas. La medición se realiza desplazando la regla por la parte superior del tubo hasta que la parte inferior roce el chorro de agua que sale del tubo. En ese momento se lee en el lado que está sobre el tubo la distancia que alcanza el chorro y conociendo el diámetro del tubo mediante la tabla se determina el caudal.
Tabla de caudales para el método de coordenadas
5
EQUIPO DE BOMBEO Un equipo de bombeo es un transformador de energía. Recibe energía mecánica, que puede proceder de un motor eléctrico, térmico, etc., y la convierte en energía que un fluido adquiere en forma de presión, de posición o de velocidad. Así tendremos bombas que se utilizan para cambiar la posición de un cierto fluido. Existen bombas trabajando con presiones y alturas iguales que únicamente adicionan energía de velocidad. Sin embargo, a este respecto, hay muchas confusiones en los términos presión y velocidad, por la acepción que llevan implícita de las expresiones fuerza tiempo. En la mayoría de las aplicaciones de energía conferida por una bomba es una mezcla de las tres, las cuales se comportan de acuerdo con las ecuaciones fundamentales de la Mecánica de Fluidos.
BOMBA HORIZONTAL
6
La disposición del eje de giro horizontal presupone que la bomba y el motor se hallan a la misma altura; éste tipo de bombas se utiliza para funcionamiento en seco, exterior al líquido bombeado que llega a la bomba por medio de una tubería de aspiración. Las bombas centrífugas, sin embargo, no deben rodar en seco, ya que necesitan del líquido bombeado como lubricante entre los aros de roce, el impulsor, y entre empaquetadura y eje. Como no son auto-aspirantes requieren, antes de su puesta en marcha para cebar la tubería. Esto no es fácil de conseguir si la bomba trabaja por encima del nivel del líquido, que es el caso más corriente con bombas horizontales, siendo a menudo, requerir de válvulas de pie, (aspiración), y los distintos sistemas de cebado. Como ventajas específicas se puede decir que las bombas horizontales, (excepto para grandes tamaños), son de construcción más barata que las verticales y, especialmente, su mantenimiento y conservación es mucho más sencillo y económico. El desmontaje de la bomba se suele hacer sin necesidad de mover el motor y al igual que en las de cámara partida, sin tocar siquiera las conexiones de aspiración e impulsión.
BOMBA SUMERGIBLE Una bomba sumergible es una “bomba” que tiene un impulsor sellado
a la carcasa. El conjunto se sumerge en el líquido a bombear. La ventaja de este tipo de bomba es que puede proporcionar una fuerza de elevación significativa pues no depende de la presión de aire externa para hacer ascender el líquido. Las bombas sumergibles también se utilizan en depósitos de combustible. Aumentando la presión en el fondo del depósito, se puede elevar el líquido más fácilmente que aspirándolo (succión) desde arriba. Los modelos más avanzados incluyen un separador de agua/aceite que permite reinyectar el en el yacimiento sin necesidad de subirla a la superficie. Las bombas sumergibles encuentran muchas utilidades, las bombas de etapa simple se utilizan para el drenaje, el bombeo de aguas residuales, el bombeo industrial general y el bombeo de la mezcla. Las bombas
7
sumergibles se colocan habitualmente en la parte inferior de los depósitos de combustible y también se utilizan para la extracción de agua de pozos de agua.
AFORO POR COORDENADAS Es posible hacer el cálculo aproximados del caudal que es descargado libremente por una tubería, midiendo las longitudes en las direcciones X, Y del chorro.
= 0.0221 ∗
∗
Q = Caudal en Litros /seg. Factor de conversión=0.0221 A = Área Hidráulica en cm2 X = Valor de Abcisa en cm. Y = Valor de la ordenada en cm.
DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA
Revisar el equipo a trabajar, verificando la cantidad de agua en el tanque de succión Medir 5 veces el tiempo que le toma llenar la cubeta.
Para el siguiente método hay que medir la altura en “y” a la cual se
encuentra el líquido, es decir, la altura donde está la tubería. Para la coordenada en “x” se debe deja r correr el agua y observar hasta donde llega la misma.
8
EQUIPO
Cinta Métrica
Cubeta de aforo
Cronometro
DATOS DE LABORATORIO Volumen para los dos aforos 5 gal BOMBAS HORIZONTALES COORDENADAS REPETI TIEMPOS [SEG] BOMBA 1 BOMBA 2 CION ES BOMBA 1 BOMBA 2 X Y X Y 61 39 1 60.06 39 22 50 45 101 2 61 38 3
BOMBA SUMERGIBLE COORDENADAS TIEMPOS [SEG] X Y
ALTURA BROTE = 6 CM, POT = 0.5 HP, Ø = 3/4
10
131.5
100.5
ALTURA BROTE = 62 CM, POT = 0.5 HP, Ø = 3/4
CÁLCULOS Cálculos Bomba Horizontal 1. AFORO VOLUMÉTRICO Para el cálculo del caudal se procede a realizar lo siguiente: Promediar tiempos :
61+60.06+61 = 60.7 3 39+39+38 2 = = 38.7 3
1 =
Conversión del volumen del agua:
= 5 ∗
3.785 = 18.925 1
Aplicar ecuación de aforo volumétrico:
= 18.925 18.925 = = . = = . 60.7 38.7
2. POR COORDENADAS X, Y 9
BOMBA 1 X=22 cm Y=50 cm BOMBA 2 X=45 cm Y=101 cm Conversión para determinar el área de la tubería:
Aplicar ecuación para determinar el área
Aplicar ecuación por coordenadas para determinar el caudal:
3 2.54 = ∗ = 1.905 4 1
= ∗ = ∗ (1.905) = 2.85 4 4
∗ 2.85∗22 = 0.0221 ∗ = . √ 50 2.85∗45 = 0.0221 ∗ = . √ 101 = 0.0221 ∗
3. POR FÓRMULA
= 5.47 . ∗ . ( ) = 3.15 . ∗ . ( ) < 0.4 ( ) > 1.4 ( )
H=0.06m; D=0.01905m Determinación de ecuación a utilizar
0.4 = 0.4(0.01905) = 0.00762 1.4 = 1.4(0.01905) = 0.0267
Por lo tanto la ecuación a utilizar es la II Cálculo de Q
=
3.15 (0.01905). ∗ 0.06 .
= . = .
Cálculos Bomba Sumergible 4. AFORO VOLUMÉTRICO Para el cálculo del caudal se procede a realizar lo siguiente: Promediar tiempos : Debido a que es tiempo directo, no se hace promedio Hacer conversión del volumen del agua:
= 5 ∗
3.785 = 18.925 1
Aplicar ecuación de aforo volumétrico:
18.925 = = = . 10
5. POR COORDENADAS X, Y X=131.5 cm Y=100.5 cm Hacer conversión para determinar el área de la tubería:
10
3 2.54 = ∗ = 1.905 4 1
Aplicar ecuación para determinar el área
= ∗ = ∗ (1.905) = 2.85 4 4
Aplicar ecuación por coordenadas para determinar el caudal:
∗ 2.85 ∗ 131.5 = 0.0221 ∗ = . √ 100.5 = 0.0221 ∗
6. POR FÓRMULA
= 5.47 . ∗ . ( ) = 3.15 . ∗ . ( ) < 0.4 ( ) > 1.4 ( )
H=0.62m; D=0.01905m Determinación de ecuación a utilizar
0.4 = 0.4(0.01905) = 0.00762 1.4 = 1.4(0.01905) = 0.0267
Por lo tanto la ecuación a utilizar es la II Cálculo de Q
=
3.15 (0.01905). ∗ 0.62 .
= . = .
CONCLUSIONES: Se llega a la conclusión, que la bomba horizontal 2 es más eficiente y permite conducir más caudal que la bomba horizontal 1. Entre las bombas horizontales y la bomba sumergible, la más eficiente es la bomba sumergible ya que puede transportar mayor caudal que las horizontales.
PRÁCTICA No. 2 – TURBINAS, PANELES SOLARES Y ARIETE HIDRÁULICO MARCO TEÓRICO TURBINAS HIDRÁULICAS Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estator; éstas son generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o aerogeneradores. 11
Dentro de este género suele hablarse de:
Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector.
Turbinas de reacción: Son aquellas en el que el fluido sufre un cambio de presión considerable en su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida de éste presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de los álabes. Así, existen las turbinas de álabes fijos (Francis->Flujo diagonal; Hélice->Flujo axial) y turbinas con álabes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo axial). El empleo de álabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores.
El rango de aplicación (una aproximación) de las turbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-pelton El número específico de revoluciones es un número común para todas las turbinas/bombas geométricamente semejantes (de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una Turbina Kaplan tiene más probabilidad de que se dé en ella el fenómeno de la cavitación que en una Turbina Francis o una Pelton.
Tipos de turbina que se utilizan en Guatemala Las turbinas son el corazón de las centrales hidroeléctricas y, depende de su diseño, pueden aprovechar al máximo el caudal de ríos, tomas de agua o presas para la generación de electricidad. Las turbinas hidráulicas son un elemento muy importante en la composición de una central generadora, miden hasta tres metros de alto, pesan muchas toneladas y hay una empresa en Guatemala que las fabrica. Tecno Mecánica elabora tres tipos de turbinas hidráulicas: la rueda Pelton, la turbina Francis y la de hélice o turbina Kaplan.
12
Energía renovable Las energías renovables son aquellas energías que provienen de recursos naturales que no se agotan y a los que se puede recurrir de manera permanente. Su impacto ambiental es nulo en la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2. Se consideran energías renovables la energía solar, la eólica, la geotérmica, la hidráulica y la eléctrica. También pueden incluirse en este grupo la biomasa y la energía mareomotriz. En esta sección no sólo encontrarás información sobre energías renovables, sino también noticias, actualidad y curiosidades. Generadores Eléctricos El proceso de generación de energía eléctrica es el de transformación a partir de generadores. Y para que haya una transformación, debe haber una fuente que se tome como base para realizar el cambio. Dicha fuente es toda energía que sea considerada como no eléctrica. En este grupo entran las siguientes energías: térmica, mecánica, luminosa y química, entre otras. Este cambio en la energía se lleva a cabo en inmediaciones apropiadamente denominadas centrales eléctricas, las cuales realizan tan solo los primeros pasos del proceso. Los siguientes se corresponden ya al suministro de la energía que ha sido generada, es decir, todos los pormenores del transporte y la distribución. Ariete hidráulico El ariete hidráulico, es un tipo de bomba de agua que funciona aprovechando la energía hidráulica, sin requerir otra energía externa. Mediante un ariete hidráulico, se puede conseguir elevar parte del agua de un arroyo o acequia a una altura superior. También se puede emplear para riego por aspersión. El ariete hidráulico es un sistema de construcción sencilla y su rendimiento energético es de cerca del 70%. Funcionamiento El funcionamiento del dispositivo es bastante simple y de fácil manejo. El agua se acelera a lo largo del conducto hasta alcanzar una determinada velocidad que hace que se cierre la válvula A; entonces se crea una fuerte presión, ejercida por el agua que se encuentra en movimiento y es detenida de golpe; así permite la apertura de la válvula B y pasa agua al depósito, hasta que se equilibran las presiones; Se abre la válvula A y el ciclo se repite una y otra vez.
13
Esquema de funcionamiento de una bomba de agua tipo ariete hidráulico.
El agua pasa a golpes de ariete al depósito, pero sale de este con continuidad ya que el ariete funciona de uno a dos ciclos por segundo. La cámara de aire del depósito es fundamental para su funcionamiento. Para asegurar la permanencia de esta cámara de aire se usa el inclusor de aire que incorpora unas pocas burbujas en cada ciclo.
Inclusor de aire El inclusor de aire es un pequeño orificio de 1,5 a 2 mm de diámetro, con un alambre de cobre que pasa por él con cierta holgura, para permitirle a la cámara de aire tomar alguna burbuja en cada golpe de ariete y mantener la presión en la cámara de aire. Por supuesto, también saldrá una pequeña cantidad de agua en cada golpe de ariete. Pero si no hay cámara de aire que actúe como amortiguadora del golpe de ariete, este mismo rompería el dispositivo y dejaría de funcionar.
Otros requerimientos Para que el ariete hidráulico funcione se necesitan dos cosas: Agua en cantidad suficiente para impulsarlo Suficiente desnivel de trabajo (el mínimo es 20 cm). El agua puede proceder de un manantial, arroyo o río y debe ser conducido al ariete hidráulico mediante un conducto (hierro galvanizado, PVC, PPP, etc.), cuyo diámetro dependerá del caudal utilizado. La inclinación del tubo debe ser de unos 30° por debajo de la horizontal para un funcionamiento adecuado, aunque podría hacerlo con ángulos menores. El ariete hidráulico funciona entre 60 y 90 golpes por minuto y cuanto más lento sea el funcionamiento, más agua utiliza y bombea. Para que funcione el ariete hidráulico se necesita un salto de agua que varíe entre 0,20 a 30 m. Cuando el salto de agua sea mayor, el ariete hidráulico va a ser más pequeño y económico y menos cantidad de agua va a requerir para elevar otra cantidad de agua.
14
Con abundante agua y un desnivel de 1,2 m puede llegar a elevarse el agua a 200 m de altura.
Tabla 1: Diámetro recomendado en función del caudal de agua disponible. Caudal de litros/ 25 50 100 alimentación 30 60 90 120 min 0 0 0 del ariete - Q pulg 1 1 2 Diámetro 2 3 5 8 recomendable adas 1/4 1/2 1/2 del tubo 12 mm 35 41 52 70 80 200 alimentación 5 Dimensionamiento Las diferentes variables que participan en el funcionamiento del ariete hidráulico, se relacionan de la siguiente forma: Caudal elevado = (2..ℎ)/(3.) (en litros/minuto) dónde: Q : es el caudal de alimentación en litros por minuto h : desnivel de trabajo en metros H : altura de elevación en metros
Esquema de bomba de agua tipo ariete hidráulico.
Ajustes El ajuste adecuado se logra mediante el tornillo tensor de la pletina resorte y el de la carrera hasta regular el caudal requerido de trabajo. El único mantenimiento consiste en retirar las hojas u otro material del filtro en la toma de agua y las gomas de las válvulas cuando se gasten o deterioren. 15
Rendimiento (R) El rendimiento del ariete hidráulico representa el porcentaje de agua que se puede bombear en relación al total de la canalizada por el ariete, y varía en función del cociente H/h. Al aumentar el valor resultante, el rendimiento disminuye. En la tabla siguiente puede verse cómo varía el rendimiento energético. H/h= R=
2 0.85
3 0.81
4 0.76
6 0.67
8 0.57
10 0.43
12 0.23
La altura de elevación (H) Como puede deducirse de la tabla anterior, a partir de 12 veces la altura (h), el rendimiento de los arietes disminuye en gran medida. Este detalle no nos ha de desalentar. Aunque sólo subamos a gran altura un 1% del agua que pasa por nuestro ariete, este funciona las 8.760 horas del año, y sin combustible. El caudal elevado (q) Depende del rendimiento (R), el caudal de alimentación (Q), el desnivel de trabajo (h) y la altura de elevación (H). La ecuación por la que se relacionan es la siguiente:
= ∗ ∗ ℎ/
Por ejemplo: Q (Caudal de alimentación) = 100 litros/minuto h (desnivel de trabajo) = 3 metros H (Altura de elevación) = 24 metros La relación H/h = 8, luego el rendimiento del ariete en estas condiciones equivale al 57% (0’57).
El caudal elevado q = 0,57 · 100 · 3 / 24 = 7,125 litros/minuto = 10260 l/día.
Energía Eólica La energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en otras formas útiles de energía para las actividades humanas. En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir electricidad mediante aerogeneradores, conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica. Los parques eólicos construidos en tierra suponen una fuente de energía cada vez más barata, competitiva o incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales.
16
Pequeñas instalaciones eólicas pueden, por ejemplo, proporcionar electricidad en regiones remotas y aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica, al igual que hace la energía solar fotovoltaica. Las compañías eléctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el exceso de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas. El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y construcción de parques eólicos marinos, situados cerca de las costas. La energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques eólicos marinos tienen un impacto visual menor, pero los costes de construcción y mantenimiento de estos parques son considerablemente mayores. A finales de 2013, la capacidad mundial instalada de energía eólica fue de 318 gigavatios. En 2011 la eólica generó alrededor del 3% del consumo de electricidad mundial. Dinamarca genera más de un 25% de su electricidad mediante energía eólica, y más de 80 países en todo el mundo la utilizan de forma creciente para proporcionar energía eléctrica en sus redes de distribución,6 aumentando su capacidad anualmente con tasas por encima del 20%. En España la energía eólica produjo un 21,1% del consumo eléctrico en 2013, convirtiéndose en la tecnología con mayor contribución a la cobertura de la demanda, por encima incluso de la energía nuclear. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energía a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. El impacto ambiental de este tipo de energía es además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía. La energía del viento es bastante estable y predecible a escala anual, aunque presenta significativas variaciones a escalas de tiempo menores. Al incrementarse la proporción de energía eólica producida en una determinada región o país, se hace imprescindible establecer una serie de mejoras en la red eléctrica local. Diversas técnicas de control energético,
17
como una mayor capacidad de almacenamiento de energía, una distribución geográfica amplia de los aerogeneradores, la disponibilidad de fuentes de energía de respaldo, la posibilidad de exportar o importar energía a regiones vecinas o la reducción de la demanda cuando la producción eólica es menor, pueden ayudar a mitigar en gran medida estos problemas.10 Adicionalmente, la predicción meteorológica permite a los gestores de la red eléctrica estar preparados frente a las previsibles variaciones en la producción eólica que puedan tener lugar a corto plazo.
¿QUÉ FUERZA TIENE QUE TENER EL VIENTO PARA ACCIONAR LOS AEROGENERADORES? Los aerogeneradores empiezan a funcionar cuando el viento alcanza una velocidad de 3 a 4 metros por segundo, y llega a la máxima producción de electricidad con un viento de unos 13 a 14 metros por segundo. Si el viento es muy fuerte, por ejemplo de 25 metros por segundo como velocidad media durante 10 minutos, los aerogeneradores se paran por cuestiones de seguridad.
ENERGÍA SOLAR PANELES SOLARES Los paneles solares son dispositivos diseñados para captar parte de la radiación solar y convertirla en energía solar térmica y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediante energía solar fotovoltaica, para que pueda ser utilizada por el hombre. Pueden distinguirse dos tipos de paneles solares: Paneles de energía solar térmica Llamados colectores solares térmicos, convierten la luz en calor. Existen dos tipos de paneles solares térmicos: los colectores de agua y los de aire. En los colectores de agua, el agua circula por los tubos provistos de aletas. Para obtener un mejor rendimiento, el conjunto se coloca en una caja de vidrio aislante ya que con esto se logra un efecto invernadero. Con buen sol, y si las necesidades de agua caliente son moderadas, una red simple puede ser suficiente. Las aletas, que forman lo que es llamado el absorbente, son calentadas por la radiación solar y transmiten su calor al agua que circula por los tubos. Los colectores de agua son utilizados para la calefacción y/o para producir agua caliente sanitaria. En los colectores de aire, es el aire el que circula y se calienta en contacto con los absorbentes. El aire así caliente es después ventilado en los ambientes de calefacción o utilizado en los cobertizos para el secado de los productos agrícolas. Paneles solares fotovoltaicos
18
Llamados módulos fotovoltaicos, convierten la luz en electricidad. En ambos casos, los paneles son generalmente planos, con varios metros de anchura y de longitud. Están diseñados para facilitar su instalación y su precio se fija de manera que puedan ser utilizados tanto para aplicaciones domésticas como industriales.
Uso de la energía solar fotovoltaica Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más fiable de suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema Solar, gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera y a su alta relación potencia a peso.
ALGUNAS DEMOSTRACIONES Y ESPECIFICACIONES DE PANELES SOLARES
Para la fabricación de paneles solares fotovoltaicos se emplea tecnología muy avanzada y compleja. Sin bien está al alcance de muchos fabricantes la producción de colectores solares térmicos con un grado de eficacia aceptable, no ocurre lo mismo con los paneles solares fotovoltaicos, donde muy pocas compañías en el mundo cuentan con la capacidad y los recursos técnicos necesarios para producirlos. El funcionamiento de los paneles se basa en el efecto fotovoltaico. Este efecto se produce cuando
19
sobre materiales semiconductores convenientemente tratados incide la radiación solar produciéndose electricidad.
ECUACIÓN DE COOPER La ecuación de Cooper es utilizada para determinar la declinación solar, que no es más que el ángulo formado por los rayos que proceden del Sol y el plano ecuatorial. Dicha ecuación está dada de la siguiente forma:
= 23.45( D: Declinación en grados N: día del año
360 (284 + )) 365
POTENCIAL La potencia que puede alcanzar un panel solar y la potencia que entrega son dos temas diferentes. Si un determinado panel está calificado como de 180 vatios, entonces rendirá hasta ese nivel en la luz solar más brillantes (1000 vatios por metro cuadrado). Sin embargo, a no ser que vivas en el ecuador, tu panel solar no recibirá esa cantidad de luz solar. La cantidad de luz solar que alcanza la tierra en tu región (llamada "insolación" se promedia en vatios por metro cuadrado) dividida en el brillo de la luz solar estándar de la industria (1000 vatios por metro cuadrado) te dará la fracción de la potencia producirá tu panel. Un método más simple es encontrar el número de "horas pico de sol" que recibe tu zona en cada día. Cualquier vendedor respetable tendrá esta información. Una hora pico de sol es una hora de 1000 vatios por metro cuadrado de luz solar. La mayoría de las zonas de Estados Unidos reciben menos de seis horas pico de sol por día. Puedes predecir cuánta potencia puede generar determinado panel solar multiplicando el rango de vatios de un panel solar por la cantidad de horas pico de sol para tu zona. Nota que las horas de sol variarán con las estaciones y que durante el invierno son menores.
20
CÁLCULOS DATOS INVESTIGADOS: - Latitud del Territorio Guatemalteco: 13 grados Sexagesimales Norte - Tamaño del Panel Solar a Utilizar: 140Wp (Wp= Vatio Pico) - Dimensiones del Panel Solar: 1500x672x36 mm - Voltaje a Máxima potencia: 17.6 V - Corriente Máxima: 7.9 A - Peso: 12 kg - Batería: 100 Ah (capacidad nominal) con capacidad de 100 hrs. DATOS DADOS EN EL LABORATORIO: # HORAS DE CANTIDAD # BOMBILLAS / WATTS POR HABITACION CANTIDAD CONSUMO / TOTAL DE HABITACION BOMBILLA DÍA W-H DORMITORIO 4 1 4 11 176 1 1 4 11 44 COCINA LAVANDERIA 1 1 1 11 11 1 1 4 11 44 SALA GARAGE 1 1 2 11 22 297 TOTAL Wh PARA HABITACIONES
ACCESORIO
CANTIDAD
# HORAS DE CONSUMO POR DÍA
WATTS POR ACCESORIO
CANTIDAD TOTAL DE W-H
TV (Color) REFRIGERADOR LICUADORA
1
5
60
300
1
8
98
784
1
0.5
350
175
TOTAL Wh PARA ACCESORIOS
1259
Total de Wh por el tiempo de consumo diario es = 1556 Wh CALCULOS (trabajados en tabla resumen, con fórmulas de cálculo): TABLA I: CÁLCULO DE PANELES SOLARES Consumo Diário Equivalente de Ah x Día Latitud Potenc ia Requerida en Paneles Tamaño del Panel Cantidad de Paneles
1,556.0 Watts-hora
129.7 Ah 13 grados 333.1 Watts 140.0 Watts 3.0 Unidades
TABLA II: CÁLCULO DE BATERÍAS Días de Autonomía Ah requeridos por Ciclo Tamaño de Batería Cantidad de Baterías
1 días
129.7 Ah 100.0 Ah 2.0 Unidades
Ciudad: Guatemala
Valores e n verde son modificables por digitación Contrib ución de Fórmula por R o d r i g o O y a r c e ; llevado a Excel por Her n n M o ra ga
de ENERGY M A R K ET ( www.emarket.cl
21
TAMAÑO DEL INVERSOR: Según las especificaciones encontradas podemos utilizar un inversor de las especificadores siguientes, para nuestro ejemplo: Potencia Potencia Nominal Inversor Recomendado Recomendada a conectar [W.] 300 W 600 W 1000 W 1500 W 2000 W 3000 W 200 x x x x x x x x x x x 400 720 x x x x x x x 1200 1750 x x x 2500
Potencia nominal: 1000 W Potencia Pico (Arranques): 2000 W Potencia max de trabajo: 900W Voltaje de entrada: 11 - 14 Volt DC Voltaje salida: 230 Volt~ Alterna +-10% Frecuencia: 50Hz Tipo de onda: mod. Sinusoidal modificada. Consumo interno => 0,5 Amp. Alarma 10,5 Volt en batería Corte de corriente 10,5Volt en batería Medidas: (LxAxH) 28,7cm x 12,4cm x 7,0cm Peso: 2.200g Precio: Q 1000.00
REGULADOR DE CARGA: Para 12/24 V, este tiene un precio promedio de $50.00 o Q 500.00 COSTOS QUE NOS GENERA ESTE SISTEMA: Precio del Panel: € 250.00(promedio, datos del mercado) € 250.00x11.40= Q2,850.00 x 3 paneles= Q 8,550.00
Precio del Regulador de Carga: $ 50.00(datos del mercado, puede llegar a costar hasta $200.00) $ 50.00 x 7.80= Q 390.00 Precio del Inversor: € 100.00(promedio, datos del mercado) €100.00 x 11.40= Q 1140.00
INVERSIÓN TOTAL ESTIMADA (para este sistema): (Q 8,550.00+Q390.00+Q 1140.00)= Q 10,080.00 (Calculo no incluye cables, ni soportes de los Paneles, ni instalación)
22
