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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y COMPARACIÓN DE DOS PROTOTIPOS
DE GENERACIÓN ELÉCTRICA: MAREOMOTRÍZ Y UNDIMOTRÍZ
CRISTHIAN CAMILO CORTES RÍOS
SERGIO ALEJANDRO GUZMÁN CHACÓN
UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS”
FACULTAD TECNOLOGICA
TECNÓLOGIA EN ELECTRICIDAD.
BOGOTÁ D.C
2015
2
Diseño, construcción y comparación de dos prototipos de generación
eléctrica: Mareomotríz y Undimotríz
Cristhian camilo Cortes Ríos y Sergio Alejandro Guzmán Chacón
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Nota del autor
Trabajo de Grado elaborado como requisito para optar al Título de
Tecnólogo en Electricidad, bajo la Dirección de la Ingeniero Electricista
Hugo Armando Cárdenas de la Facultad de Tecnología. Tecnología
Electricidad.
Correspondencia: [email protected]; [email protected].
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad Tecnológica
Tecnología en Electricidad
Bogotá D.C. Colombia, Septiembre 2015
3
NOTA DE ACEPTACIÓN
_______________________
_______________________
_______________________
_______________________
Hugo Armando Cárdenas
___________________
Director
Dora Marcela Martínez
___________________
Jurado
Bogotá D.C 19-09-2015
4
DEDICATORIA
A mi familia, la cual fue fuente de apoyo constante e incondicional en toda mi
vida y más aún en estos años de carrera profesional y en especial quiero expresar
mi más grande agradecimiento a mis padres que sin su ayuda hubiera sido
imposible culminar esta etapa en mi vida.
Cristhian Cortes
A Dios nuestro señor, quien nos ha dado la vida y la salud necesaria para
realizar y culminar este trabajo.
A nuestros padres por la educación ofrecida y por su constante e incondicional
apoyo.
A mis compañeros y profesores con los que nos relacionamos de alguna u otra
forma en el transcurso de la carrera.
Sergio Guzmán
AGRADECIMIENTOS
Los autores expresan sus más sinceros agradecimientos:
A nuestras familias por su paciencia y por todo el apoyo que nos brindaron en
este largo proceso.
Al ingeniero Hugo Armando Cárdenas director del proyecto por brindarnos su
amplia experiencia y conocimiento para la culminación del presente proyecto.
Al grupo de investigación GIEAUD por brindarnos su apoyo y conocimiento
para culminar este proyecto.
A todas las personas que directa o indirectamente nos brindaron su colaboración
en la realización del presente trabajo.
6
CONTENIDO.
Pg.
Resumen, 11
Introducción, 12
1. Energía oceánica, 13
2. Energía mareomotriz, 14
2.1 Hechos históricos relevantes en el desarrollo de la 15
energía mareomotriz
2.2 Tecnologías para aprovechar la energía de las mareas 16
2.2.1 Tecnología de estuarios y diques 19
2.2.1.1 La técnica de simple efecto o generación por inundación 19
2.2.1.2 La técnica de doble efecto 20
2.2.2 Tecnologías de turbinas de corrientes marinas 22
2.3 Potencial de la energía de las mareas 28
2. 4 Situación actual de la explotación de la energía de las mareas 30
3. Energía undimotríz 31
3.1 Hechos históricos relevantes en el desarrollo de la energía 32
Undimotríz
3.2 Tecnologías para aprovechar la energía de las olas 33
Dispositivos ubicados en la costa o en sus cercanias 35
Dispositivos ubicados fuera de la costa 36
3.2.1 Las columnas oscilantes de agua (owc) 37
3.2.2 Wave dragón (dragón de olas) 41
3.2.3 Rueda hidráulica 43
3.3 Potencial de la energía de las olas 49
3.4 Situación actual de la explotación de la energía de las olas 50
4. Diseño de los dos prototipos propuestos de generación eléctrica 52
basados en el movimiento del océano
7
Pg.
4.1. Diseño del prototipo de aprovechamiento energético mareomotriz 53
4.2. Diseño del prototipo de aprovechamiento energético undimotríz 58
5. Construcción de los dos prototipos de generación eléctrica basados 62
en el movimiento de las olas y mareas
5.1. Construcción del prototipo de aprovechamiento energético 62
mareomotriz
5.2. Construcción del prototipo de aprovechamiento energético 63
Undimotríz
6. Comparación de los dos prototipos construidos de generación 66
eléctrica basados en el movimiento de las olas y mareas
Pruebas de funcionalidad del dispositivo de aprovechamiento 68
mareomotriz
Pruebas de funcionalidad del dispositivo de aprovechamiento 70
Undimotríz
Conclusiones 74
Anexos 76
Referencias 78
8
LISTA DE TABLAS
Pg.
Tabla 1. Algunos hechos históricos relevantes de la energía 15
mareomotríz.
Tabla 2. Cuadro comparativo entre las tres técnicas de aprovechamiento 25
mareomotríz analizadas.
Tabla 3. Propuestas de implantación de centrales mareomotrices. 30
Tabla 4. Algunos hechos históricos relevantes de la energía 32
undimotríz.
Tabla 5. OWC más destacados del mundo 41
Tabla 6. Cuadro comparativo entre las tres técnicas de aprovechamiento 47
undimotríz analizadas.
Tabla 7. Especificaciones técnicas del motor. 56
Tabla 8. Medidas eléctricas y mecánicas tomadas durante la prueba 68
del dispositivo de aprovechamiento mareomotriz
Tabla 9. Medidas eléctricas de dispositivo de aprovechamiento 70
undimotríz
Tabla 10. Comparación entre los dos dispositivos de aprovechamiento 72
energético diseñados y construidos.
9
LISTA DE FIGURAS
Pg.
Figura 1. Esquema de mareas 14
Figura 2. Central mareomotríz situada en el rio La Rance, 17
en el noroeste de Francia.
Figura 3. Clasificación de los dispositivos de aprovechamiento de marea 18
Figura 4. Esquema de una central de ciclo de simple efecto embalsé único 20
Figura 5. Esquema de una central de ciclo elemental de doble efecto 21
Figura 6. Algunos sistemas de dispositivos de turbinas de eje vertical 22
Figura 7. Aparato TidEl de SMD Hydrovision. 23
Figura 8. Dispositivo propuesto por TidalStream 23
Figura 9. Lugares del mundo con recurso maremotrices 29
Figura 10. Movimiento de las moléculas de agua en las olas 31
Figura 11. Esquema de la patente de los Girard 33
Figura 12. Clasificación de los dispositivos de aprovechamiento de olas 35
Figura 13. Esquema de instalación de las columnas oscilantes de agua 38
Figura 14. Diagrama de la turbina Wells 39
Figura 15. Sistema de válvulas utilizado por Lab. Nacional 40
de Ingeniería del Reino Unido
Figura 16. OWC instalado en Toftestallen (Noruega) por KvaernerBrug. 41
La planta undimotríz de mayor capacidad en el mundo
Figura 17. Esquema del funcionamiento del dragón de olas 42
Figura 18. Diseño de las Primeras ruedas hidráulicas. 44
Figura 19. Algunos diseños utilizados para el aprovechamiento 45
undimotríz
Figura 20. Distribución global de la energía de las olas en kW/m 50
Figura 21. Diseño del recipiente con las medidas específicas 53
para la simulación del océano.
Figura 22. Diseño del sistema de simulación de las mareas del océano. 54
10
Figura 23. Diseño de Sistema de polea, utilizado para el 55
aprovechamiento de las corrientes marinas.
Figura 24. Diseño de la turbina utilizada para el aprovechamiento 56
de las corrientes marinas.
Figura 25. Cto eléctrico del sistema de aprovechamiento Mareomotriz. 57
Figura 26. Diseño del simulador de olas. 59
Figura 27. Diseño del dispositivo de aprovechamiento undimotríz. 59
Figura 28. Tipo de rueda hidráulica que se utilizara el dispositivo de 60
aprovechamiento undimotríz.
Figura 29. Cto eléctrico del sistema de aprovechamiento Undimotríz 61
Figura 30. Foto del dispositivo de aprovechamiento mareomotríz. 63
Figura 31. Sistema construido para la simulación de olas 64
Figura 32. Dispositivo de aprovechamiento de energía undimotríz 65
Figura 33. Construcción final de los dos prototipos de aprovechamiento 65
energético oceánico.
Figura 34. Modelo de Motor DC de tipo imanes permanentes 66
Figura 35. Motor DC de tipo imanes permanentes 67
Figura 36. Prototipos y simuladores de energía mareomotríz y undimotríz 67
respectivamente en funcionamiento.
Figura 37. Modelo eléctrico del montaje propuesto para la prueba de 68
funcionalidades de los dispositivos de aprovechamiento.
Figura 38. Diagrama de pérdidas en el generador D.C 69
Figura 39. Medidas eléctricas tomadas al sistema de generación eléctrica 69
mareomotríz.
Figura 40. Modelo eléctrico del montaje propuesto para la prueba de 71
funcionalidades de los dispositivos de aprovechamiento Undimotríz.
Figura 41. Medidas eléctricas tomadas al sistema de generación eléctrica 71
undimotríz.
11
RESUMEN
Debido a la dependencia de los derivados del petróleo para la obtención de energía, y
de las consecuencias ambientales que esto acarrea, la comunidad científica mundial ha
destinado sus esfuerzos a encontrar nuevas formas de generar energía eléctrica, estos
han arrojado consecuencias favorables en el uso de las energías renovables que de
cierta manera son más amigables con el medio ambiente. Una de estas formas de
generación con fuentes no convencionales de energía ha sido el aprovechamiento de
los movimientos presentes en el océano.
Los océanos por su abundante cantidad agua son sensibles a los movimientos de la
luna que junto a sus formaciones topográficas y a su nivel de profundidad, manifiestan
en sus movimientos dos tipos de energías mecánicas; la cinética y la centrifuga.
Las mareas son los cambios de altura de las aguas del mar con respecto a la costa,
estos cambios son debidos principalmente a la posición de la luna y el sol con respecto
a la tierra, según sea la zona costera, por otro lado las olas son consecuencias de la
fricción del aire con el agua, estas se presentan en todos los escenarios donde se
encuentre grandes cantidades de agua en contacto con corrientes de aire.
En nuestro país encontramos gran cantidad de sitios en los que se presentan fenómenos
de oleaje y mareaje como los dos océanos con los que lindamos, gran cantidad de ríos,
ciénagas y algunas lagunas. Es por esto por lo que siguiendo la línea de investigación
planteada mundialmente, la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, han
adelantado estudios sobre los diferentes tipos de energías alternativas arrojando
resultados favorables para la comunidad en general. Por consiguiente, con este
proyecto se pretende tener una visión más clara sobre el aprovechamiento de la energía
presente en los movimientos marinos, por medio de una comparación de dos
prototipos partiendo de la generación mareomotríz y la generación undimotríz, el cual
tendrá como alcance más cercano aportar al desarrollo de energías alternativas a la
comunidad estudiantil de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
12
INTRODUCCIÓN
En el desarrollo de este trabajo de grado se encontrarán los conceptos básicos de
generación eléctrica a partir de los movimientos naturales presentes en el
océano. Inicialmente se presentará un análisis detallado acerca de algunas
técnicas de aprovechamiento energético, que utilizan como fuente no
convencional de energía los movimientos presentes en océano, mareas y olas,
en este capítulo se realizará una comparación entre las diversas técnicas de
aprovechamiento basada en los movimientos anteriormente mencionados.
Seguido a esto se planteara el diseño y la construcción de dos prototipos de
generación eléctrica a partir de los movimientos de mareas y olas presentes en el
océano. En el planteamiento de los diseños se encontrará los diferentes planos
de los dispositivos utilizados y las memorias de cálculo con las cuales se
llegará a una potencia generada mediante cálculos basados en la curva
característica y especificaciones de los generadores utilizados. A continuación se
presenta la construcción de los dos prototipos planteados, especificando las
diversas dificultades que se tuvieron para su construcción.
Una vez finalizado el diseño y construcción de los dos prototipos de
aprovechamiento energético mareomotriz y undimotríz respectivamente, se
anexan los resultados de las pruebas de funcionalidad realizados a estos y la
comparación entre los dos prototipos de generación de energía planteados.
13
1. ENERGÍA OCEÁNICA
Los océanos tienen una superficie de 361 millones de 𝑘𝑚2y un volumen promedio
de 1370 millones de 𝑘𝑚3, esto quiere decir que cubren cerca del 70% de la
superficie terrestre, convirtiéndolo así en el más grande sistema colector y de
almacenamiento de energía solar; la cual incide anualmente sobre la tierra en un
orden de 6 ∗ 1014 MW/h . (Hurtado Parra & Mejia Perez, 2006 ,p.8)
Esto evidencia que el océano en un futuro puede ser una fuente principal a nivel
energético, ya que compone cerca de ¾ partes del planeta tierra. Esta energía se
manifiesta de tres maneras distintas las cuales son:
Gradientes térmicos: los cuales se presentan debido a la radiación solar, la
cual produce como consecuencia la diferencia de temperaturas, estas
pueden llegar a ser aprovechadas energéticamente. ( Carta González,
Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
Oleaje: se produce debido a la fricción del viento sobre las aguas marinas,
estas toman fuerza directamente proporcional a la distancia que recorren
(energía undimotríz). ( Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, &
Castro Gil, 2009)
Mareaje: se presenta como consecuencia de la influencia gravitacional de
los cuerpos celestes sobre grandes cantidades de aguas oceánicas (energía
mareomotríz). ( Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, &
Castro Gil, 2009)
En este proyecto se hará uso de las energías de oleaje y mareaje.
14
2. ENERGÍA MAREOMOTRÍZ
Según Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil (2009)
definen las mareas como: “Movimientos oscilatorios del nivel del mar, debido a
las fuerzas de atracción gravitacional que la Luna y el Sol ejercen sobre las
partículas líquidas de los océanos”. (p. 617)
Es por esto por lo que las mareas se crean con tanta facilidad, su creación
depende principalmente a la posición relativa del planeta tierra con respecto a
sus astros (sol y luna), aunque existen otros factores que inciden en su
comportamiento como lo son su distribución geográfica, la topografía local, la
profundidad de las cuencas oceánicas, etc. (Torres Parra, 2003)
El comportamiento de las mareas y el desnivel de las mismas dependen
directamente de la posición relativa de la Tierra, el Sol y la Luna, que cambia
cada día, y de la proporción entre mar y tierra 3:1, otros factores secundarios
que inciden en su comportamiento son: los fenómenos meteorológicos.
(González Velasco, 2009)
En la Figura 1 se describe gráficamente los tipos de mareas presentes, según la
posición del sol y la luna con respecto a la tierra en sus posiciones más críticas.
Figura 1. Esquema de mareas (Universidad de chile.Facultad de filosofia
y humanidades)
15
En el esquema 1 y 3 de la figura 1 se representa la alineación de la luna y
el sol (luna llena y luna nueva), esta ubicación produce las mayores
diferencias de mareas en los océanos.
En el esquema 2 y 4 de la figura 1 se representa cuando la luna y el sol
están en ángulo recto (lunas crecientes y menguantes), se produce las
menores diferencias de mareas en los océanos. (Universidad de chile.
Facultad de filosofía y humanidades)
2.1. HECHOS HISTÓRICOS RELEVANTES EN EL DESARROLLO DE
LA ENERGÍA MAREOMOTRÍZ.
Edad
media: Molino de marea en Île de Bréhat.
1898
molinos de mareas en fábrica de hielo de Ploumanach
Francia.
1927
Se publica el libro Tratado de arquitectura hidráulica
de Bernard Forest de Belidor.
1959
La central mareomotríz de Shashan comenzó a funcionar en china para
realizar riegos.
1960 a 1967
La Rance River, Francia. Fue la primera central mareomotríz del mundo.
1968
Se construye la central KislayaGuba, en Rusia.
16
1975
La planta de Haishan en la isla de Maoyan, China
bombea agua para 760 familias.
2007
Se terminan la construcción y análisis RITE, suministrar energía a
8000 casas de Nueva York.
2008
Se terminan la construcción y análisis de la central de StrangfordLough, en el
norte de Irlanda.
Tabla 1. Algunos hechos históricos relevantes de la energía mareomotríz.
2.2. TECNOLOGÍAS PARA APROVECHAR LA ENERGÍA DE LAS
MAREAS
El análisis del comportamiento de las mareas comenzó a principios de 1686
cuando Isaac Newton (1642-1727), por medio de su obra titulada “Principios
matemáticos de la filosofía natural”, estudio el comportamiento de las mareas,
calculando la altura de la marea según la fecha del mes, el período del año y la
latitud, con base a su ley de gravitación. (González Velasco, Energías
renovables, 2009)
Luego de este análisis, se empezó a implantar las mareas como fuente de
energía, inicialmente los ribereños hacían girar sus ruedas hidráulicas de sus
molinos que servían para regar los campos o para la molienda de los cereales.
Durante gran tiempo se tuvo la idea de aprovechar de manera masiva la energía
de las mareas, pero hasta el verano de 1966 se pudo poner en marcha la primera
y quizás la más importante central mareomotríz situada en el rio La Rance, en el
noroeste de Francia. Esta central cuenta con una presa de 750 m de longitud
separa el estuario del mar abierto y crea una cuenca de 22 km², está compuesta
por 24 turbinas tipo Kaplan, que en total proporcionan a la planta una potencia
17
de 240 MW, esta planta fue la base principal de desarrollo para la generación
mareomotríz de ciclo de doble efecto. ( Carta González, Calero Pérez, Colmenar
Santos, & Castro Gil, 2009)
Luego de la puesta en marcha de esta central, la comunidad científica mundial la
adopto como ejemplo, y empezó a aprovechar la energía presente en las mareas,
poniéndolo en funcionamiento en diferentes proyectos, usando como fuente los
ríos aledaños y océanos.
En la figura 2 se muestra una fotografía aérea de está plata.
Figura 2. Central mareomotríz situada en el rio La Rance, en el noroeste de
Francia. ( Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
18
Figura 3. Clasificación de los dispositivos de aprovechamiento de mareas.
(Compilación de los autores, 2015)
En la figura 3 se puede observar que existen diversas técnicas de
aprovechamiento de la energía presente en las mareas para convertirlo en
energía útil, usualmente convertido en energía eléctrica, cada una de ellas
diseñada con una necesidad y para un propósito específico. En este proyecto
señalizarán 3 de las tecnologías utilizadas para la generación de energía eléctrica
que tienen como fuente las mareas:
1. La técnica de simple efecto o generación por inundación.
2. La técnica de doble efecto.
3. Tecnología de turbinas de corrientes marinas.
Dispositivos de
aprovechamiento de mareas
Se pueden clasificar
Estuarios y diques Tecnología de turbinas de
corrientes marinas
Se aprovecha la energía
potencial de 3 maneras
Generación por
inundación
Generación en
pleamar o por
bombeo
Producción de
doble efecto
Turbinas de eje vertical
Turbinas de eje
horizontal
19
2.2.1 TECNOLOGÍA DE ESTUARIOS Y DIQUES
Básicamente funcionan cuando la energía potencial originada por la diferencia
del nivel del agua en los diques, se convierte en energía cinética debido al rápido
movimiento del agua al pasar a través de las turbinas previamente instaladas.
(Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
Esta tecnología es aplicada de dos maneras distintas dependiendo de la
necesidad y las condiciones del sitio de instalación.
2.2.1.1 LA TÉCNICA DE SIMPLE EFECTO O GENERACIÓN POR
INUNDACIÓN
La manera más sencilla de generación utilizando estuarios y diques implica los
siguientes pasos: se construye un dique cerrando una bahía, estuario o golfo
aislándolo del mar exterior, luego, colocar en el los equipos de aprovechamiento
adecuado (turbinas, generadores), siendo así se aprovecha el desnivel que se
produce gracias a las mareas, y como resultado se genera electricidad mediante
el movimiento mecánico generado entre el embalse formado y el mar exterior
(figura 4) (Hurtado Parra & Mejía Pérez, 2006).
La técnica de simple efecto o generación por inundación (Figura 4) es la más
económica a nivel mundial, y además son más sencillas para su diseño, sin
embargo, esta tecnología posee algunas falencias ya que el sistema de embalse
único y de simple efecto el cual consiste en aprovechar la energía únicamente en
la etapa de vaciado de un estuario, es decir, durante la bajamar opera
limitadamente, solamente se aprovechan los dos periodos diarios en que se vacía
el estuario. (Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil,
2009)
20
Figura 4. Esquema de una central de ciclo de simple efecto embalsé único,
(Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
2.2.1.2 LA TÉCNICA DE DOBLE EFECTO
Para resolver el problema que presenta la generación de simple efecto fueron
diseñadas instalaciones que operan según un ciclo elemental de doble efecto
Figura 5. Este tipo de instalaciones aprovechan la energía del agua en dos
sentidos: al entrar en el estuario y al salir del mismo, esto lo logran gracias a las
turbinas, existen dos clases de estas: (Hurtado Parra & Mejía Pérez, 2006)
a) Reversibles
b) No reversibles, con un sistema de canales y compuertas; es un
procedimiento complejo y más costoso.
21
Figura 5. Esquema de una central de ciclo elemental de doble efecto. (Gomez
Montaño & Burgos Ramirez, 2008)
Usualmente, la diferencia entre los niveles de agua del mar y del embalse son
menores en una central de efecto doble, es por esto por lo que la energía
utilizable y el rendimiento también son inferiores, pero debido a que una central
de doble efecto aprovecha el llenado y el vaciado del embalse convierte que un
sistema de efecto doble sea aproximadamente un 18% mayor que la
proporcionada por una con sistema de efecto simple. (González Velasco,
Energías renovables, 2009).
22
2.2.2 TECNOLOGÍA DE TURBINAS DE CORRIENTES MARINAS
Para aprovechar la energía cinética presente en las corrientes se han diseñado
dispositivos simples, similares a los rotores de las turbinas eólicas, aunque
debido a la densidad del agua las turbinas son más pequeñas en comparación a
las turbinas eólicas, estas se sumergen en el mar a profundidades comprendidas
entre 20 y 30 metros. Por otro lado, también se han propuesto turbinas de eje
horizontal o turbinas de hélice, que comprende un rotor con dos o más palas
Figura 6. (Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
Figura 6. Algunos sistemas de dispositivos de turbinas de eje vertical. ( Carta
González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
Actualmente se han puesto a prueba distintos dispositivos patrocinados por el
sector privado intentando aprovechar de manera más eficiente la energía
presente en las corrientes marinas entre los más destacados están ( Carta
González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009):
El dispositivo instalado en el proyecto Seaflow, el cual funciona con una
hélice debajo del agua que funciona en un solo sentido, este dispositivo
está sujeto al fondo del mar y la hélice se comunica con el generador por
medio de una caja de engranajes lo que facilita el mantenimiento.
23
El artefacto construido por TidEl Figura 7 consiste en un par de turbinas
de 500 kW, montadas juntas, lo interesante de este diseño es que son
capaces de flotar, lo que permite a las turbinas autoaliniarse en la
dirección más conveniente con referencia a la marea.
Figura 7. Aparato TidEl de SMD Hydrovision. ( Carta González, Calero
Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
TidalStream (asociación dedicada a promover el desarrollo de las fuentes
de energía renovables) ha propuesto un diseño muy cautivador propuestos
para operar a profundidades comprendidas entre 30 m y 50 mFigura 8, lo
interesante es que este dispositivo pone a cada rotor gira en sentido de la
corriente, esto lo logra por medio de un brazo articulado como centro de
gravedad, el cual esta incrustado en el lecho marino.
Figura 8. Dispositivo propuesto por TidalStream. ( Carta González,
Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
Al igual que estos dispositivos existen varios en los cuales la clave del éxito de
las turbinas para aprovechamiento de las corrientes marinas está en la forma de
24
sostener el rotor-transmisión para que este siga el flujo del agua y pueda ser
instalado y mantenido de forma fácil y económica. (Carta González, Calero
Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
En la tabla 2 se presenta la comparación entre las tres tecnologías presentadas,
para así optar por la técnica de aprovechamiento mareomotríz más conveniente
para diseñar y construir como prototipo en este proyecto.
25
ENERGIA MAREOMOTRÍZ
LA TÉCNICA DE SIMPLE EFECTO O
GENERACIÓN POR INUNDACIÓN.
LA TÉCNICA DE DOBLE EFECTO.
TECNOLOGÍA DE TURBINAS DE
CORRIENTES MARINAS.
Funciona gracias a la energía potencial
originada por la diferencia del nivel del agua
en los diques, la cual pasa de energía
potencial en energía cinética, para luego
hacerla pasar por al pasar a través de las
turbinas previamente instaladas.
Esta técnica genera energía gracias al paso
del agua conducida mediante canales a
través de las turbinas del generador
Esta tecnología aprovecha la energía cinética
presente en el mar, mediante dispositivos
simples, parecidos a los rotores de las turbinas
eólicas.
Es necesario construir un dique cerrando
una bahía, estuario o golfo aislándolo del mar
exterior, y a su vez debe tener un desnivel
para la transformación de la energía.
Requiere de estructuras robustas en las
cuales debe existir un dique cerrando una
bahía, estuario o golfo aislándolo del mar
exterior.
Requiere de estructuras sencillas, simplemente
para la adecuación del sistema de generación.
Los elementos mínimos que se deben tener
para el aprovechamiento energético mediante
esta técnica son turbinas, diques, compuertas,
generadores eléctricos,
Infraestructura de transporte de la energía
eléctrica generada.
Los componentes básicos para una central de
este tipo son turbinas, diques, compuertas,
generadores eléctricos, subsistema de control
o sistema de válvulas e infraestructura de
transporte de la energía eléctrica generada.
Los componentes necesarios para la
implementación de esta técnica son generadores
eléctricos, turbinas, e infraestructura para el
transporte de energía.
26
ENERGIA MAREOMOTRÍZ
LA TÉCNICA DE SIMPLE EFECTO O
GENERACIÓN POR INUNDACIÓN.
LA TÉCNICA DE DOBLE EFECTO.
TECNOLOGÍA DE TURBINAS DE
CORRIENTES MARINAS.
Aprovechar la energía únicamente en la etapa
de vaciado de un estuario, es decir, durante la
bajamar opera limitadamente, solamente se
aprovechan los dos periodos diarios en que se
vacía el estuario, se ilustra de mejor manera
en la figura 4
Este tipo de instalaciones aprovechan la
energía del agua en dos sentidos: la entrada y
salida del estuario, se ilustra de una manera
más clara en la figura 5, donde explica paso a
paso su funcionamiento
Este tipo de técnicas aprovechan siempre el
constante movimiento de las mareas en el día
Este sistema económicamente es un poco
costoso debido a que se debe adecuar el sitio
de instalación de la central mareomotríz.
Este método de aprovechamiento energético,
económicamente es más costoso que los
demás ya que aparte de la inversión para la
adecuación del sitio, se debe invertir en el
control para poder aprovechar en la subida y
bajada de las mareas
Esta técnica es la más económica de todas debido
a que solamente se debe invertir en el sistema de
generación (turbina, generador, cajá
multiplicadora).
27
ENERGIA MAREOMOTRÍZ
LA TÉCNICA DE SIMPLE EFECTO O
GENERACIÓN POR INUNDACIÓN.
LA TÉCNICA DE DOBLE EFECTO.
TECNOLOGÍA DE TURBINAS DE
CORRIENTES MARINAS.
El transporte de la energía generada es muy
fácil ya que dentro de la misma central, hay
una subestación la cual transforma y conecta
al sistema de interconexión eléctrico.
No posee dificultad para el transporte de la
energía generada debido a que dentro de la
misma central, hay una subestación la cual
transforma y conecta al sistema de
interconexión eléctrico.
Para el transporte de energía presenta dificultades
ya que se debe realizar mediante un cable
submarino que llega a la subestación ubicada en
la costa
Tiene gran impacto ambiental ya que se debe
modificar por completo el sitio donde se va a
implementar la central de generación.
Afecta en gran parte al ambiente ya que por
su tamaño y robustez modifica por completo
el sitio de instalación.
Respecto al medio ambiente aun no se conoce
aún estudios profundos que revelen el factor de
impacto en el medio ambiente, sin embargo, es
posible que las hélices de dichos dispositivos
pudieran matar a peces y mamíferos marinos si
no se toman las debidas precauciones.
Tabla 2. Cuadro comparativo entre las tres tecnicas de aprovechamiento mareomotrízanlizadas . (Compilacion de los
autores,2015)
28
Luego de un análisis minucioso se ha determinado que la tecnología de turbinas
de corrientes marinas, es la más viable para su construcción como prototipo en
este proyecto debido a los siguientes factores:
Es la técnica de menor dificultad para diseñar y construir debido a que las
otras dos técnicas estudiadas requieren de un mayor espacio y una
adaptación mejor del sitio debido a la construcción del dique cerrado.
Este diseño de aprovechamiento es el más usado en el mundo debido a
que es económica, no tiene gran afectación visual ya que se sumergen en
el mar a profundidades comprendidas entre 20 y 30 metros y además de
esto porque facilita el transporte de energía
Con esta tecnología se aprovecha la energía cinética presente en el mar, la
cual es más fácil de simular mediante dispositivos relativamente sencillos.
Este tipo de técnica presenta un aprovechamiento favorable con respecto a
las otras dos técnicas, por qué explota el constante movimiento de las
mareas en el día.
2.3 POTENCIAL DE LA ENERGÍA DE LAS MAREAS
El potencial energético de las mareas depende principalmente de la amplitud de
estas, la cual no es la misma en todos los lugares del planeta. Puede ser nula en
algunos mares interiores, como en el mar Negro, entre Rusia y Turquía, en los
cuales alcanzan promedios de amplitud entre escasos 20-40 centímetros.
En Colombia se ha logrado demostrar que existe un potencial muy bajo en el
océano pacífico, pero por otro lado se presume que existas mayor potencial en el
océano Atlántico. (Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro
Gil, 2009)
Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil (2009) afirman
que “La potencia asociada a las mareas se estima del orden de 3 TW. Sin
29
embargo, para el aprovechamiento eficaz de la energía mareomotríz es necesario
que la amplitud de las mareas sea al menos de cinco metros” (p. 623). Lo cual
limita su uso a zonas que solo cumplan con estas especificaciones y reduce la
cantidad de potencia aprovechable a solo un rendimiento del 25% cifrado
alrededor de 15GW. (Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro
Gil, 2009)
En el mapa de estimación de recursos mareomotrices, se puede observa algunas
zonas donde tenemos mayor potencial de explotación a nivel comercial, en estas
zonas en donde se presenta mayor influencia de los astros.
Figura 9. Lugares del mundo con recurso maremotrices. ( Carta González,
Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
30
2.4 SITUACIÓN ACTUAL DE LA EXPLOTACIÓN DE LA ENERGÍA
DE LAS MAREAS
Es complicado que la energía mareomotríz se convierta en una importante
fuente de energía a nivel general a mediano plazo, debido a que son muy pocas
las zonas que reúnen las condiciones necesarias para construir un sistema de
diques en estuarios y/o además de esto la tecnología actual no es lo
suficientemente eficiente. Además de esto la construcción de una central podría
modificar el paisaje y tener consecuencias en el impacto ecológico, debido a que
estas necesitan demasiado espacio y acabarían totalmente con la fauna y flora en
la zona. Sin embargo según WEC (World Energy Council) (Tabla 3), en
determinados lugares reúnen con algunos requisitos y quizás con el más
importante los rangos de mareas apropiados.
Tabla 3. Propuestas de implantación de centrales mareomotrices.(González
Velasco, 2009)
31
3. ENERGÍA UNDIMOTRÍZ
Según Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, (2009)
“Todo tipo de oscilación en la superficie de agua que sea periódica se le
denomina ola” (p.563).
Estas oscilaciones son consecuencia de las interacciones tangenciales del viento
con la superficie de las aguas de los mares, y a su vez los vientos son causados
por la diferencia de temperatura entre un lugar y otro, es por estos que la energía
contenida en el oleaje puede ser considerada como solar indirecto. (González
Velasco, 2009)
Las olas se encuentran compuestas por moléculas de agua que se mueven
formando óvalos, la conducta de estas depende básicamente en la relación que
existe entre el tamaño de las olas y la profundidad del agua donde ésta se está
moviendo. (Figura 10).
Figura 10. Movimiento de las moléculas de agua en las olas.Carta
González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, (2009)
En conclusión, las olas oceánicas son esencialmente movimientos de energía
causada por el rozamiento del viento. Esta energía se encuentra presente en dos
tipos:
El movimiento constante de las moléculas individuales de agua en forma
circular, produce energía cinética la cual es aprovechada directamente con
alguna clase de hélice o indirectamente mediante dispositivos compuestos
por columnas oscilantes de agua, (González Velasco, 2009).
32
En su movimiento circular las moléculas individuales de agua son
elevadas encima de la línea inmóvil de la superficie del agua y entonces
representa una energía potencial. (González Velasco, 2009)
3.1 HECHOS HISTÓRICOS RELEVANTES EN EL DESARROLLO DE
LA ENERGÍA UNDIMOTRÍZ.
1799
Primeros avances reportados por los Girard, diseño de varios prototipos.
1910
Bouchaux-Praceique emplea un dispositivo con el que cubre sus necesidades
energéticas, en Francia.
1940 a 1950
Yodo Masuda inventa varios dispositivos de aprovechamiento entre ellos la boya
masuda.
1972
Sir Christopher SydneyCockerell inventa la balsa de Cockerell como dispositivo de
aprovechamiento energético.
1974
Stephen Salter diseña elPato de Salter como dispositivo de aprovechamiento
energético.
2005
primera planta undimotríz en Cantabria (España)
2006
inicia el parque de olas Aguzadora, Portugal.
Tabla 4. Hechos históricos relevantes de la energía undimotríz.
33
3.2 TECNOLOGÍAS PARA APROVECHAR LA ENERGÍA DE LAS
OLAS.
La idea de aprovechar la energía del oleaje es bastante antigua, no solo se ha
utilizado como fuente de generación eléctrica, si no también se ha llegado a
emplear con otros propósitos, por ejemplo en el litoral Pacífico la gente utiliza
las olas como propulsores con el uso de tablas para practicar deportes como el
surf.
En cuanto a fuente no tradicional de generación de energía eléctrica la historia
nos remota a 1799, donde se registra la primera patente de un dispositivo de
aprovechamiento energético de oleaje, hecha por dos parisinos llamados Girard
(padre e hijo). Los Girard imaginaron diversos medios para aprovechar la
energía de las olas, sin embargo, indican que la menos complicada de todas
consistía en articular un extremo de una viga en la costa y el otro extremo,
dotado de una boya, en el mar (Figura 11). Este dispositivo funcionaba mediante
los movimientos de ascenso y descenso de la boya accionaban una maquina
generadora. (Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil,
2009)
Figura 11. Esquema de la patente de los Girard. ( Carta González, Calero Pérez,
Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
34
Luego de ser registrada la patente de los Girard, entre 1860 y 1930 el número de
patentes mundiales registradas de dispositivos que pretendían aprovechar la
energía de las olas fue notable.
En la Actualidad el mundo se encuentra en un punto de conflagración para
implantar diferentes maneras de generar electricidad sin dependencia de los
derivados del petróleo, se ha logrado prever que la densidad de potencia
existente en un oleaje promedio es suficiente para tenerlo en cuenta como una de
las formas de generación con fuentes no convencionales de energía. Pero este
tipo de aprovechamiento presenta una dificultad, esta energía se presenta de
forma bastante dispersa, por lo que para poder aprovecharla es necesario recurrir
a dispositivos bastante amplios. Por ejemplo se estima que una planta de
producción de electricidad a partir del oleaje de 1MW necesita capturar la
energía de una anchura de oleaje aproximadamente de 250 metros(González
Velasco, Energías renovables, 2009).
Los dispositivos de aprovechamiento de energía almacenada en las olas deben
captar la energía cinética y/o potencial de las mismas y convertirla
eficientemente en otra forma de energía útil, generalmente energía eléctrica,
aprovechando su variabilidad y su capacidad de desplazarse a grandes distancias
con muy poca pérdida de energía, además de esto los dispositivos tienen que ser
capaces de convertir el continuo movimiento cabeceante en energía útil,
igualmente tienen que ser idóneos para resistir los diferentes comportamientos
del mar y de funcionar eficientemente para las amplias gamas de frecuencia y
amplitud de las olas. (Hurtado Parra & Mejía Pérez, 2006).
35
Figura 12. Clasificación de los dispositivos de aprovechamiento de olas.
(Compilación de los autores, 2015)
Estos dispositivos incursionados para el aprovechamiento de la energía dispersa
en las olas se pueden clasificar de varias maneras como se observa en la Figura
12. A continuacion se profundizara por la clasificacion de acuerdo a su posicion
relativa en la costa:
Dispositivos ubicados en la costa o en sus cercanias
Gran parte de los dispositivos de aprovechamiento de la energía del
oleaje se encuentran ubicados cerca de las costas, debido a que con
esta ubicación presenta mayores ventajas en cuanto la proximidad de
redes de trasporte de electricidad, fácil accesibles a la hora de
reparaciones y mantenimiento, sin embargo, también presentan varios
inconvenientes por ejemplo no todas las zonas costeras cumplen con
los requerimientos mínimos para la instalación de un dispositivo de
Dispositivos de
aprovechamiento de olas
Se pueden clasificar
Por su posición
relativa en la costa Por su capacidad de producción
energética Por su posición relativa en el
mar
En la costa o en
sus cercanías
Fuera de
la costa
Grandes
Medianos
Pequeños
Fijos o flotantes
Semisumergidos
Sumergidos
36
estos, además debido a que se encuentran cerca de la costa las olas
presentan una disminución de energía por las aguas poco profundas.
(González Velasco, Energías renovables, 2009)
El funcionamiento de estos dispositivos llamados de estructura fija o
dispositivos ubicados en la costa básicamente se ancla al fondo del mar
o en la costa, de manera que la estructura principal no se mueve con el
movimiento del mar, la otra parte de la estructura puede moverse
respecto de la estructura fija, cuando las olas actúan sobre estas partes
móviles, convierten la energía del oleaje en energía mecánica, la cual a
su vez es generalmente transformada en energía eléctrica. (Carta
González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009).
Algunos de los mecanismos ubicados en tierra y más frecuentes son los
canales ahusados, una variedad de columnas oscilantes de agua (siglas
en inglés OWC, Oscillating Water Column) y los alerones oscilantes.
Dispositivos ubicados fuera de la costa
Los dispositivos ubicados fuera de la costa o también llamados
dispositivos de estructura flotante, son aquello que como su nombre lo
indica su estructura oscila con las olas, pero para lograr esto se
requiere disponer de un armazón estable de referencia para que las
partes activas del aparato se puedan moverse respecto de la estructura
principal. Esto se puede obtener mediante la inercia, o elaborando la
estructura suficientemente grande para que se apoye en varias crestas
de olas y pueda permanecer promediadamente estable en los diferentes
estados del mar (Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, &
Castro Gil, 2009).
Este dispositivo fundamentalmente se mantiene flotando gracias a
diferentes sistemas de amarre, esto permite de que absorba a plenitud
37
la energía entregada por las olas y genere de una manera más eficiente
electricidad, pero a su vez estos presentan algunos inconvenientes
como difícil acceso para su mantenimiento y difícil transporte de
energía eléctrica.
Actualmente Existen diversos diseños, varios de los cuales se encuentran
actualmente en fase de desarrollo y comercialización, algunos de ellos son
la almeja, el pato, Mighty Whale (Poderosa Ballena), Wave Dragón
(Dragón de olas), Pelamis, PowerBuoy, Wave Star (Estrella de las olas),
etc.
En este orden de ideas se ha podido observar que existen diversas técnicas
de aprovechamiento de la energía presente en las olas para convertirlo en
energía útil, usualmente convertido en energía eléctrica, cada una de ellas
diseñada con una necesidad y para un propósito específico. En este
proyecto se analizarán 3 de las tecnologías utilizadas para la generación
de energía eléctrica que tienen como fuente las olas:
1. Las columnas oscilantes de agua (OWC)
2. Wave Dragón (Dragón de olas)
3. Pelamis
3.2.1 LAS COLUMNAS OSCILANTES DE AGUA (OWC)
La tecnología OWC o en español denominada las columnas oscilantes de agua
son uno de los convertidores de energía undimotríz más utilizados en la
actualidad, debido a que al utilizar energía neumática para generar energía
mecánica, y además de esto el mantenimiento es más económico y sencillo.
38
Figura 13. Esquema de instalación de las columnas oscilantes de agua. (Carta
González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
Este dispositivo básicamente consiste en una estructura hueca, normalmente,
ubicada en la costa, en la cual su parte superior forma una cámara de aire y su
parte inferior está sumergida en el agua y abierta a la acción de las olas (Figura
13).
Este mecanismo funciona basándose en el principio de cavidad resonante, en el
cual la estructura descrita anteriormente encierra una columna de aire en la parte
superior de una columna de agua, cuando las olas empiezan a moverse, hacen
que la columna de agua suba y baje, y este a su vez hace que la columna de aire
que se encuentra en la parte superior se comprima cuando la ola llega y se
descomprima sucesivamente debido al vacío que crea la ola al retirarse. (Carta
González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
Este flujo bidireccional de aire desplazado por la columna de agua, se aprovecha
para propagar movimiento (Energía mecánica), y usarlo para generar
electricidad mediante un generador mecánicamente acoplado a la turbina.
Habitualmente las turbinas utilizadas son las denominadas “turbinas Wells”
Figura 14, que reciben este nombre por su inventor el profesor Alan Wells, estás
presentan la característica fundamental de ser autor-rectificadora, es decir siguen
39
rotando en la misma dirección sin importar si el aire llega en dirección axial y en
un sentido, o si llega en sentido contrario, lo que permite que esté fenómeno sea
posible es el perfil aerodinámico de las paletas, el cual debe ser simétrico con
respecto a la línea del plano de rotación, siendo así en este caso las paletas no
son retorcidas si no rectas. (González Velasco, Energías renovables, 2009)
Figura 14. Diagrama de la turbina Wells. (González Velasco, Energias
renovables, 2009)
También se puede lograr que el aire circule siempre en una misma dirección
utilizando un sistema de válvulas rectificadoras Figura 15, lo que permitiría
poder usar una turbina convencional de eólica, por ejemplo esta técnica fue
implantada en el diseño de la columna de agua oscilante NEL (Laboratorio
Nacional de Ingeniería del Reino Unido).
40
El mecanismo propuesto por NEL es básicamente una barrera totalizadora
compuesta por una serie de columnas oscilantes de agua ubicada una continua
de la otra. ( Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil,
2009)
Figura 15. Sistema de válvulas utilizado por Laboratorio Nacional de Ingeniería
del Reino Unido. ( Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro
Gil, 2009)
41
Entre los sistemas OWC más destacados algunos son:
Nombre de la
central
Ubicación Año de
instalación
Capacidad
instalada
Sanze Prefectura de Yamagata-
Japón
1983 40 kW
Toftestallen Noruega 1985 600 kW
Neya Japón 1985 40 kW
Kujukuri Japón 1988 30 kW
Sakata Japón 1989 60 kW
Isla Islay Escocia 1991 75 kW
Trivandrum India 1991 150 kW
Islay Escocia 2001 500 kW
la isla de Pico Las Azores-Portugal 2006 350-500 kW
Tabla 5. OWC más destacados del mundo
Figura 16. OWC instalado en Toftestallen (Noruega) por KvaernerBrug. La
planta undimotríz de mayor capacidad en el mundo. ( Carta González, Calero
Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
3.2.2 WAVE DRAGON (DRAGÓN DE OLAS)
El dragón de olas o wave dragón, es un mecanismo flotante que tiene como
principio de funcionamiento el uso de un par de reflectores el ampliar la altura
de las olas y de esta manera aprovechar la energía potencial, permitiendo así
42
accionar una turbina de aprovechamiento de baja altura, instalada en la parte
inferior del dispositivo.
En palabras más simples este dispositivo realiza un ciclo de tres fases
(absorción, almacenamiento y conversión) Figura 17, en la primera una barrera
captura el agua de las olas que exceden un nivel determinado y luego pasa a la
segunda fase que es almacenamiento en un estanque flotante y finalmente se
abre el estanque dejando caer el agua sobre la turbina haciéndola girar y por
medio del mecanismo de aprovechamiento convierte la energía mecánica en
energía eléctrica.
Físicamente el dispositivo solo tiene una parte móvil las turbinas, esta
característica permite que sea eficiente en altamar, el resto de equipos y piezas
que componen al wave dragón es anclado a un promedio de 20 o 30 metros de
profundidad, preferiblemente se debe hacer en aguas profundas para aprovechar
las olas marinas antes que pierdan energía cerca del área costera. Una pieza que
convierte este dispositivo diferente a los usados comúnmente es la rampa
reflectora la cual es muy corta y bastante empinada para minimizar la perdida de
energía de la ola en el proceso. ( Carta González, Calero Pérez, Colmenar
Santos, & Castro Gil, 2009)
Figura17. Esquema del funcionamiento del dragón de olas. (Carta González,
Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
43
El wave dragón es uno de los dispositivos más implementados en la actualidad,
debido a que se puede construir a escala, además de esto, debido a su desarrollo
de ingeniería es uno de los más eficientes, ya que ha optimizado el llenado del
estanque, reduce la tensión en las barreras de desvío del oleaje y mejoras en el
sistema de anclaje. (Ormaza, 2012)
El primer prototipo conectado a la red está actualmente instalado en
NissumBredning, Dinamarca, a este se le están realizando pruebas de
desempeño a largo plazo, y su comportamiento con respecto a las diferentes
condiciones marítimas, para así poder mejorar el prototipo y eficiencia
energética. (González Velasco, Energías renovables, 2009)
3.2.3 RUEDA HIDRÁULICA
La rueda hidráulica es el motor hidráulico más antiguo conocido hasta el
momento, este data de su existencia desde la época de los griegos donde se deja
de utilizar los movimientos de los animales por el movimiento del agua, sin
embargo, las primeras referencias detalladas de la rueda hidráulica, así como sus
aplicaciones datan en los tiempos del Imperio Romano, cuando aparece la rueda
hidráulica horizontal, también llamada “molino romano” y el molino de rueda
vertical de paletas. Siendo así a través del tiempo se fue desarrollando y
mejorando cada vez más este tipo de aprovechamiento, sus principales
aplicaciones en esta época fueron en la agricultura y en el transporte de agua.
(Agüeros, 2012)
Uno de los principales desarrolladores de esta tecnología fue el señor Parent
(1666-1716), físico y matemático de París, el cual estudió por primera vez el
funcionamiento de la rueda hidráulica, en su trabajo nos explica de manera
44
detallada la relación optima entra la velocidad de la rueda y la velocidad de la
corriente de agua (Agüeros, 2012).
En general, las ruedas hidráulicas sufrieron pocas modificaciones Figura 18, no
se presentaron cambios significativos hasta la aparición de la turbina Francis en
1848, la turbina de impulsión de Pelton en 1880 y en 1906 la de Kaplan. La
aparición de estas tres turbinas transformó las ruedas hidráulicas en sofisticadas
ruedas rápidas y de buen rendimiento, esto abrió una nueva perspectiva en el
campo de la producción de energía motriz, gracias al descubrimiento de la
inducción electromagnética que permite transformar el movimiento generado
por la energía potencial de un embalse de agua en energía eléctrica. La ventaja
que dio la rueda hidráulica en el aprovechamiento energético fue su gran
economía y la facilidad para su construcción. (Agüeros, 2012)
Figura 18. Diseño de las Primeras ruedas hidráulicas. (Agueros, 2012)
45
En Colombia se tiene algunos registros sobre el uso de las ruedas hidráulicas
principalmente en la época de la independencia, se utilizaba con fines agrícolas
por ejemplo en Fusagasugá, fue usada como un trapiche hidráulico, otro claro
ejemplo es en la hacienda "El Buque", cerca de Villavicencio, en 1870 se utilizó
un dispositivo como este para la molienda de arroz. (Agüeros, 2012)
En la actualidad existen muchos tipos de ruedas hidráulicas, las cuales varían
dependiendo del uso que se les quiera dar, pero en cualquier caso siempre el
funcionamiento es el mismo, mediante un canal se desvía cierta cantidad de
agua del río o el mar, la cual se hace entrar a gran velocidad y en cantidad
suficiente en el molino. El agua choca contra las palas de una rueda hidráulica
que transmite a lo largo de su eje el movimiento a otras piezas tales como
poleas, engranajes o directamente al generador para el aprovechamiento
energético. (Agüeros, 2012)
En la última década se ha aprovechado las olas del mar con estos dispositivos
los cuales se han diseñado y construidos con materiales más resistentes para
contrarrestar el choque de las olas marinas, siendo así se puede aprovechar de
mejor manera estos fuertes impulsos que se crean en el mar de manera natural.
Figura 19. Algunos diseños utilizados para el aprovechamiento undimotríz.
(Agueros, 2012)
46
En la actualidad se ha diseñado diversos dispositivos de aprovechamiento de los
cuales han producido mayor impacto han sido los presentados en la figura 19,en
estas el primero es un dispositivo es un artefacto flotador que aprovecha el
constante cabeceo producido por las olas marinas, la turbina de este diseño se
instala con una diferencia promedio con respecto al nivel del mar para así
aprovechar el paso de las olas, que a su vez mueve las aspas de la turbina las
cuales transmiten el movimiento a través de su eje hasta el generador o por
medio de una caja multiplicadora.
El diseño que aparece a la derecha de la figura 19 consiste en formar un pequeño
canal que comunica el mar con la turbina instalada en la costa, en este prototipo
se deja caer el agua sobre una turbina diseñada y construida especialmente para
aprovechar la energía potencial. Algunas dificultades que se han presentado con
estos dispositivos son debidas que los movimientos no son constantes en el mar,
siendo así la producción de energía eléctrica mediante generadores de corriente
alterna termina siendo impredecible.
En este proyecto se analizó tres (3) de las tecnologías más utilizadas para la
generación de energía eléctrica, aprovechando como fuente no convencional las
olas producidas en el océano.
A continuación se presentará de una manera mas didáctica la comparación entre
las tres tecnologías presentadas, para así optar por la técnica de aprovechamiento
undimotríz mas acorde para diseñar y construir como prototipo en este proyecto.
47
ENERGIA UNDIMOTRÍZ
LAS COLUMNAS OSCILANTES DE
AGUA (OWC)
WAVE DRAGON (DRAGÓN DE
OLAS)
RUEDA HIDRAULICA
Utiliza energía neumática para generar energía
mecánica y esta energía mecánica se
transforma en energía eléctrica mediante un
generador, es decir utiliza el principio de
cavidad resonante.
Como principio de funcionamiento usa un
par de reflectores para ampliar la altura de las
olas y de esta manera aprovechar la energía
potencial mediante el accionar una turbina de
aprovechamiento de baja altura, instalada en
la parte inferior del dispositivo.
Este dispositivo tiene como principio de
funcionamiento el movimiento del mar,
ya que la turbina tiene contacto directo
con las olas del mar.
Se ubica en la costa y requiere de una
construcción previa de acoplamiento del
terreno para su instalación.
Es un mecanismo flotante el cual está
anclado al fondo del mar, instalado en
altamar con profundidades promedio de 20 a
30 metros.
Este es un dispositivo que puede llegar a
ser flotante o también puede ser instalado
en cercanía de la costa
Este sistema Modifica totalmente el paisaje, y
afecta totalmente la fauna en la zona.
Visualmente afecta el paisaje ya que es
totalmente visible al ser de tipo flotable, pero
no afecta mucho los peces ya que no está en
las profundidades.
Este dispositivo tiene gran inconveniente
ya que interfiere con el tránsito marítimo,
pero no afecta en cierta manera a la fauna
y flora del lugar de instalación.
48
ENERGIA UNDIMOTRÍZ
LAS COLUMNAS OSCILANTES DE
AGUA (OWC)
WAVE DRAGON (DRAGÓN DE OLAS) RUEDA HIDRAULICA
Para su construcción requiere de mayor
inversión económica, debido a que se debe
modificas la costa en donde se va a instalar, sin
embargo, económicamente es más viable para
su mantenimiento
Esta es la única tecnología de su clase que puede
escalar fácilmente. Debido a su tamaño, las
tareas de mantenimiento y reparo pueden
llevarse a cabo en el lugar de producción, lo que
abarata los costos en comparación con otras
alternativas.
Para su construcción no requiere de
alta inversión económica debido a que
es de un tamaño pequeño y fácil de
implementar
Habitualmente las turbinas utilizadas son las
denominadas “turbinas Wells”, estás presentan
la característica de ser autorrectificadora, es
decir, siguen rotando en la misma dirección sin
importar si el aire llega en dirección axial y en
un sentido, o si llega en sentido contrario o
también utilizan sistema de válvulas
rectificadoras, lo que permitiría poder usar una
turbina convencional de eólica.
Usualmente utiliza turbinas convencionales de
aprovechamiento hídrico, que aprovecha la
energía potencial del agua.
Este utiliza turbinas de diferentes tipos
las cuales pueden ser Kaplan, Francis
o Pelton dependiendo de su diseño y
uso.
Tabla 6. Cuadro comparativo entre las tres tecnicas de aprovechamiento undimotríz anlizadas. (Compilacion de los autores,2015)
49
Luego de un análisis minucioso se ha determinado que el dispositivo de la rueda
hidráulica, es la más viable para su construcción como prototipo en este
proyecto debido a:
Es la técnica de menor dificultad para diseñar y construir ya que requiere
menor espacio, se implementa con elementos más usuales y se adapta
mejor al sitio, debido a que no requiere una construcción especial de
dique cerrado.
Este tipo de técnicas aprovechan siempre el constante movimiento de las
olas en el día.
Este dispositivo es un poco innovador ya que se adapta de la mejor
manera al movimiento de las olas, siendo así uno de los métodos de
aprovechamiento con mejor eficiencia en el mundo.
3.3 POTENCIAL DE LA ENERGÍA DE LAS OLAS
La energía presente en las olas oceánicas es enorme. Incluso la parte de la
energía que es potencialmente explotable es muy grande comparada con el
consumo actual de electricidad en el mundo. La energía presente en una ola, es
consecuencia básicamente de la intensidad del viento que sopla sobre la
superficie del océano, del tiempo en que el viento está soplando y del alcance,
pero el inconveniente presente es que el aprovechamiento de la energía de las
olas se encuentra limitado a las zonas costeras o a sitios cercanos. (Carta
González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009).
Carta González, Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, (2009) aproxima
que “la potencia mundial explotable presente en las olas oceánicas” es de
aproximadamente 2 TW y la energía anual generable de 17.500 TWh/año”
(p.570), en la figura 20 se puede observar la distribucion mundial de energía
undimotríz existente en el mundo.
50
Figura 20. Distribución global de la energía de las olas en kW/m.
(González Velasco, 2009)
3.4 SITUACIÓN ACTUAL DE LA EXPLOTACIÓN DE LA ENERGÍA
DE LAS OLAS
En la actualidad alrededor de dieciséis captadores de la energía de las olas se
han instalado en el mundo. Esto quiere decir que se dispone de eficiente
tecnología para generación, aunque todavía es necesario seguir investigando.
Por ejemplo, se necesitan más desarrollos en el área de los aparatos que se
instalen en condiciones extremas de olas con frecuencias variables. (González
Velasco, 2009)
Entre los países de Europa involucrados en la explotación de este tipo de fuente
energética pueden señalarse: Dinamarca, Irlanda, Noruega, Portugal, Suecia y
Reino Unido. Sin embargo, países tales como Bélgica, Finlandia, Francia,
Alemania, Grecia, Italia, Países Bajos y España se han centrado en otras fuentes
no convencionales de energía y no han explotado, hasta ahora, de forma
51
significativa este tipo de fuente energética. Algunos países como Australia,
Canadá, China, India, Indonesia, Irán, Israel, Japón, Corea, México, Rusia, Sri-
Lanka, Estados Unidos y algunos otros, se encuentran llevando a cabo
investigaciones y desarrollos en la energía de las olas tratando de realizar nuevos
desarrollos significativos en el uso de esta fuente renovable. (Carta González,
Calero Pérez, Colmenar Santos, & Castro Gil, 2009)
En Colombia el inicio del estudio de las fuerzas presentes en el mar, inició en el
año de 1951 como manera preventiva por el Instituto Geográfico Agustín
Codazzi (Ministerio de ambiente y desarrollo sostenible, 2014), atreves del
tiempo las medidas para analizar las fuerzas producidas en el mar de nuestro
país se han intensificado y hoy en día se cuenta con 6 estaciones mareo-gráficas
(4 en el Pacifico y 2 en el Caribe), y 8 boyas de oleaje (4 en el Pacifico y 4 en el
Caribe) Cada uno de estos equipos está comunicado vía satélite con los centros
de control marítimo. Esto es un claro avanzó, ya que gracias a los datos que se
obtiene en estas estaciones se puede llegar a estimar un promedio cuantitativo
acerca del potencial existente en los mares Colombianos. (Polo, Rodríguez, &
Sarmiento, 2009)
52
4. DISEÑO DE LOS DOS PROTOTIPOS PROPUESTOS DE
GENERACIÓN ELÉCTRICA BASADOS EN EL MOVIMIENTO DEL
OCEANO.
Para este proyecto se planteó el diseño de dos prototipos de aprovechamiento
energético oceánico:
1. Para el aprovechamiento energético de las mareas producidas en el
océano (mareomotríz), se utilizó la tecnología de turbinas de corrientes
marinas.
2. Para el aprovechamiento energético de las olas producidas en el
océano (undimotríz), se utilizó el artefacto de innovación basado en la
rueda hidráulica.
Para la simulación de los movimientos presentes en el océano se presentó gran
dificultad en el diseño del recipiente debido al material de construcción, en
primera instancia se diseñó una bañera con las medidas ideales en acrílico pero
con este material surgió un gran problema, debido a que este no resiste la
presión del agua a la que se va a exponer con la simulación.
Luego de un análisis específico, basándose principalmente en la resistencia de
materiales a la presión del agua, se optó que el material del recipiente para la
simulación del océano fuera una bañera en plástico.
Para este recipiente se selecciona el diseño Figura 21 con las siguientes medidas:
Altura: 70 cm
Ancho: 75 cm
Largo: 96 cm
Capacidad: 100 ltrs
Se opta por estas medidas debido a la dificultad para conseguir la bañera con
medidas exactas, además gracias a su gran capacidad de almacenamiento y a las
53
medidas nos dan la comodidad para implantar en el mismo recipiente los dos
prototipos de aprovechamiento y los simuladores de olas y mareas
respectivamente.
Figura 21. Diseño del recipiente con las medidas específicas para la simulación
del océano.
4.1. DISEÑO DEL PROTOTIPO DE APROVECHAMIENTO
ENERGÉTICO MAREOMOTRÍZ.
Luego del análisis comparativo entre las tecnologías estudiadas, las cuales
presentan diferentes diseños debido a la necesidad, al potencial del sitio de
implementación, entre algunas otras características, se ha determinado que la
tecnología de turbinas de corrientes marinas, es la más viable para su
construcción como prototipo de aprovechamiento mareomotríz en este proyecto
debido a que:
Esta técnica presenta menor dificultad para su construcción debido a que
las otras dos técnicas estudiadas requieren de un mayor espacio y una
adaptación mejor del sitio debido a la construcción del dique cerrado.
Este diseño de aprovechamiento es el más usado en el mundo debido a
que es económica, no tiene gran afectación visual ya que se sumergen en
el mar a profundidades comprendidas entre 20 y 30 metros.
96 cm
70 c
m
75 c
m
54
Con esta tecnología se aprovecha la energía cinética presente en el mar, la
cual es más fácil de simular mediante dispositivos relativamente sencillos.
Este tipo de técnica presenta un aprovechamiento favorable con respecto a
las otras dos técnicas, por qué explota el constante movimiento de las
mareas durante el transcurso del día.
Respecto al transporte de energía esta tecnología presenta dificultades ya
que se debe realizar mediante un cable submarino que llega a la
subestación ubicada en la costa, pero en el prototipo diseñado se evitó
esto mediante un sistema de extensión de poleas, eludiendo de esta
manera la utilización de un generador sumergible.
Diseño del sistema de aprovechamiento de energía mareomotríz
Para el diseño de la simulación de las mareas presentes en el océano, se
utilizó un sistema con ayuda de una motobomba sumergible de 24 W con un
alcance de altura de 2.4 metros, compuesta con un circuito abierto de
manguera de ½ pulgada interior de la bañera, con esto se garantiza que con la
ayuda de la motobomba sumergible se mueve el agua de un extremo al
otroFigura 22.
Figura 22. Diseño del sistema de simulación de las mareas del océano.
Corrientes
Marinas
10 cm
Motobomba
120 VAC
24 W
55
Como se observa en la figura 23 el dispositivo de aprovechamiento energético
mareomotríz se diseñó un sistema de poleas, que por medio de una turbina que
aprovecha el movimiento de las mareas (Corrientes marinas) y lo transfiere
hasta el generador eléctrico, se decide diseñar este sistema con ayuda de la polea
y la correa transportadora debido a que facilita en gran parte el problema del
transporte de energía, eludiendo de esta manera el uso de un generador
sumergible y permitiendo el uso de un generador DC normal. Cabe destacar que
en este sistema la fricción entre la correa transportadora y el agua es muy
pequeño por esto se desprecia.
Figura 23. Diseño de Sistema de polea, utilizado para el aprovechamiento de las
corrientes marinas.
G
16 c
m
5 c
m105 c
m
Generador
D:C
12 v
1.4 A
6 cm
16 c
m
10 cm
Corrientes
Marinas
56
Finalmente, este sistema lo compone un elemento muy importante, el cual
permite el aprovechamiento directo de las corrientes marinas, la turbina, se optó
por un tipo de turbina de aerogeneradores Figura 24, ya que esta es usual en
este método de generación porque es más ligera con respecto a las turbinas
convencionales, la turbina es de tipo “Extremos de pala variable”, lo que da a las
hojas el ángulo de ataque óptimo, de modo que la turbina pueda recoger la
máxima cantidad de energía.
Esta funciona básicamente acoplada a un eje que transmite el movimiento a una
polea simétrica, y esta a su vez se comunica con el generador.
Figura 24. Diseño de la turbina utilizada para el aprovechamiento directo de las
corrientes marinas.
Memoria de cálculos para el dispositivo de aprovechamiento Mareomotriz
En la tabla 7 se presentan los datos del generador utilizado:
Tabla 7. Especificaciones técnicas del motor.
10 cm
57
Para llegar a la potencia generada por el dispositivo de aprovechamiento
mareomotríz debemos garantizar las siguientes condiciones:
𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝜔 ∗ 𝜏
Donde ὼ es la velocidad en RPM y Ƭ es el torque entregado por el motor, para
obtener una potencia promedio de 6 W, relacionando con las especificaciones
del motor (Tabla 7 ) y la curva característica del motor (Anexo 2), se debe tener
una velocidad de 3500 RPM y un torque de 1.8mN*m
𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝜔 ∗ 𝜏 = 3500 𝑅𝑃𝑀 ∗ (1.8 ∗ 10−3) = 6.3𝑊
Figura 25. Montaje eléctrico propuesto del sistema de aprovechamiento
Mareomotriz.
Teniendo la potencia generada aproximadamente de 6 W, y una resistencia en
un rango de 20 Ω a 25 Ω se obtendría el voltaje entre el siguiente rango:
𝑉 = √𝑃 ∗ 𝑅
𝑉 = √(6.3 ∗ 20) = 11.224 V
𝑉 = √(4.8 ∗ 25) = 12.549 V
Luego de realizar los cálculos pertinentes se obtendría un voltaje generado entre
12 V y 13 V, cabe resaltar que las resistencias fueron calculadas teniendo en
cuenta la corriente máxima entregada por el motor.
58
4.2. DISEÑO DEL PROTOTIPO DE APROVECHAMIENTO
ENERGÉTICO UNDIMOTRÍZ.
Luego de un análisis minucioso en donde se tuvo en cuenta las diferentes
singularidades de las tecnologías analizadas, se ha determinado que el
dispositivo de la rueda hidráulica, es la más viable para su construcción como
prototipo en este proyecto debido:
Es la técnica de menor dificultad para diseñar y construir debido a que es
la que menor inversión requiere y a su vez es la que tiene menor
aplicabilidad neumática.
Este tipo de técnicas aprovechan siempre el constante movimiento de las
olas durante el día.
Este dispositivo es un innovador ya que se adapta de la mejor manera al
movimiento directo de las olas, siendo así uno de los métodos de
aprovechamiento con mejor eficiencia en el mundo.
Además de esto su construcción es fácil ya que podemos ponerlo de
manera directa al generador evitando perdidas en accesorios previos.
Diseño del sistema de aprovechamiento de energía Undimotríz
Para la simulación de las olas se utilizó un sistema como el presentado en la
Figura 26, que consiste en un apoyo con una tabla con medidas 47cm x 65 cm
que convierte movimiento rectilíneo uniforme acelerado generado manualmente,
en movimiento circular uniforme acelerado dentro del agua, el cual con este
movimiento cíclico es el que simula las olas del océano.
59
Figura 26. Diseño del simulador de olas.
Para el sistema de aprovechamiento de energía undimotríz se diseñó un sistema
innovador basado en el artefacto de la rueda hidráulica Figura 27, el cual se
utilizara de una manera más simple, se conectara al generador directamente, es
decir, el agua choca contra las palas de una rueda hidráulica que transmite a lo
largo de su eje el movimiento hasta llegar al generador estos implica de que se
aprovecha al máximo el movimiento de las olas.
Figura 27. Diseño del dispositivo de aprovechamiento undimotríz.
G
Oleaje
60
La rueda que compondrá el sistema de aprovechamiento de energía undimotríz
será de tipo “rueda de alimentación por debajo” Figura 28, este tipo de ruedas
están compuesta de aspas planas radiales, ubicadas de tal forma, que el agua
choca solamente contra las aspas inferiores y en una dirección horizontal, es
decir, este tipo de ruedas son operadas totalmente por el impulso del agua en
movimiento.
Figura 28. Tipo de rueda hidráulica que se utilizara el dispositivo de
aprovechamiento undimotríz.
Memoria de cálculos para el dispositivo de aprovechamiento Undimotríz
Para llegar a la potencia generada por el dispositivo de aprovechamiento
undimotríz debemos garantizar las siguientes condiciones:
𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝜔 ∗ 𝜏
Donde ὼ es la velocidad en RPM y Ƭ es el torque entregado por el motor, para
obtener una potencia promedio de 3 W, relacionando con las especificaciones
del motor (Tabla 7) y la curva característica del mismo (Anexo 2), se debe tener
una velocidad de 2500 RPM y un torque de 1mN*m, cabe destacar que se
tienen en cuenta que para este dispositivo el torque es menor debido al peso de
la rueda hidráulica y que el simulador es manual.
𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝜔 ∗ 𝜏 = 2500 𝑅𝑃𝑀 ∗ (1 ∗ 10−3) = 2.5 𝑊
61
Figura 29. Montaje del Cto eléctrico propuesto para el sistema de
aprovechamiento Undimotríz
Teniendo la potencia generada aproximadamente de 2.5 W, y una resistencia en
un rango de 8.2 Ω a 12 Ω se obtendría el voltaje entre el siguiente rango:
𝑉 = √𝑃 ∗ 𝑅
𝑉 = √(2.5 ∗ 8.2) = 4.5276 V
𝑉 = √(2.5 ∗ 10) = 5.477 V
Luego de realizar los cálculos pertinentes se obtendría un voltaje generado entre
4.5276 V y 5.477 V, cabe resaltar que las resistencias fueron calculadas teniendo
en cuenta la corriente máxima entregada por el motor.
62
5. CONSTRUCCIÓN DE LOS DOS PROTOTIPOS DE GENERACIÓN
ELÉCTRICA BASADOS EN EL MOVIMIENTO DE LAS OLAS Y
MAREAS.
El recipiente usado para contener el agua y simular el océano presentó gran
dificultad debido a las características fundamentales para el trabajo a realizar, en
primera instancia se diseñó una bañera con las medidas ideales en acrílico pero
con este material surgió un gran problema, debido a que este no aguanta la
presión del agua a la que se va a exponer con la simulación, luego de un análisis
minucioso, basándose principalmente en la resistencia de materiales a la presión
del agua, se optó que el material del recipiente para la simulación del océano
fuera una bañera en plástico.
Para este recipiente se encuentra con las siguientes medidas:
Altura: 70 cm
Ancho: 75 cm
Largo: 96 cm
Capacidad: 100lts
5.1. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE APROVECHAMIENTO
ENERGÉTICO MAREOMOTRÍZ.
La construcción del simulador de mareas fue sencilla, debido a que se instaló
una motobomba sumergible de alto flujo caudal 1800 de referencia HJ- 1841
con las siguientes características eléctricas, consume una potencia de 26 W y es
alimentada con 120 VAC, a esta motobomba se le instalo un circuito abierto de
manguera de ½ pulgada el cual ayuda a canalizar el agua hacia los dispositivos
de aprovechamiento energético oceánico.
63
En cuanto a la construcción del mecanismo de aprovechamiento de energía
mareomotríz, se presentaron diversas dificultades debido a la construcción del
sistema de poleas el cual transporta el movimiento de la turbina debajo del agua
al generador ubicado en la superficie, esto se logró gracias a la instalación de
una polea ubicada paralelamente a la turbina y esta polea va acoplado a una
correa que transfiere este movimiento al generador permitiendo aprovechar el
movimiento de las corrientes marinas Figura 30.
Figura 30. Foto del dispositivo de aprovechamiento mareomotríz.
Cabe destacar que para este dispositivo de aprovechamiento se usó un generador
DC de 24 V, que gracias a la interacción de los dos elementos principales que lo
componen: la parte móvil llamada rotor, y la parte estática que se denomina
estator transforma energía mecánica en energía eléctrica.
5.2. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE APROVECHAMIENTO
ENERGÉTICO UNDIMOTRÍZ.
En la figura 31 se observa el simulador de olas del océano utilizado, que
consiste en un apoyo con una tabla con medidas 47 cm x 65 cm que convierte
movimiento rectilíneo uniforme acelerado generado manualmente, en
64
movimiento circular uniforme acelerado dentro del agua, el cual con este
movimiento cíclico es el que simula las olas del océano.
Este simulador es instalado exactamente sobre la tina con ayuda de dos
abrazaderas, asegurando así el movimiento dentro del mismo espacio.
Figura 31. Sistema construido para la simulación de olas
La construcción del artefacto de aprovechamiento undimotríz se construyó con
materiales similares a los usados en escala real, se construyó una rueda
hidráulica de tipo “por debajo”, la cual se compone por gran cantidad de aspas
con gran amplitud de manera radial, garantizando de esta manera un contacto
tangencial con el agua, es decir, el agua choca solamente contra las aspas
inferiores y en una dirección horizontal (Figura 32).
Cabe destacar que esta rueda fue instalada de manera exacta en donde el paso
del agua solo choca con las aspas inferiores de manera tangencial, garantizando
así mayor aprovechamiento de las olas generadas y menor desgaste por fricción.
65
Figura 32. Dispositivo de aprovechamiento de energía undimotríz
En este dispositivo también cabe resalta que se usa como elemento principal de
aprovechamiento un motor DC de 12 VDC, en el cual transforma el movimiento
mecánico que entra a través de su eje soldado con la rueda en energía eléctrica.
Finalmente, como se observa en la figura 33, se construyen los dos prototipos de
generación energética oceánica en la misma tina de plástico, basados en los
diversos diseños previamente realizados y de esta manera quedando listos para
la prueba de funcionalidad y su respectivo análisis comparativo.
Figura 33. Construcción final de los dos prototipos de aprovechamiento
energético oceánico.
66
6. COMPARACIÓN DE LOS DOS PROTOTIPOS CONSTRUIDOS DE
GENERACIÓN ELÉCTRICA BASADOS EN EL MOVIMIENTO DE LAS
OLAS Y MAREAS.
Luego de la construcción de los dos prototipos como se observa en la figura 33,
en la cual gracias a los diseños propuestos anteriormente se logra armar a
satisfacción los prototipos de generación oceánica (mareas y olas).
Cabe destacar que los generadores usados son motores de corriente continua de
tipo imán permanente, los cuales se diferencia con los demás tipos por qué el
bobinado del inductor está compuesto por imanes permanentes Figura 34, pero
la funcionalidad es la misma que cualquier motor DC, la cual describe que
cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un
campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado
por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha, es
primordial recordar que para un generador se usará la regla de la mano derecha
mientras que para un motor se usará la regla de la mano izquierda para calcular
el sentido de la fuerza.
Figura 34. Modelo de Motor DC de tipo imanes permanentes (Viatger, 2008)
67
Figura 35. Motor DC de tipo imanes permanentes (Viatger, 2008)
Finalmente, se ponen en funcionamiento los dos dispositivos de
aprovechamiento energético oceánico y además de estos también se ponen a
funcionar los dos simuladores de olas y mareas respectivamente.
Cabe resaltar que para estas pruebas se utilizó un multímetro Fluke 87 III, del
cual las especificaciones quedan anexas. (Anexo 1)
Figura 36. Prototipos y simuladores de energía mareomotríz y undimotríz
respectivamente en funcionamiento.
68
Pruebas de funcionalidad del dispositivo de aprovechamiento mareomotríz
Luego de la construcción del artefacto de aprovechamiento de mareas como se
observa en la Figura 36, se procede a realizar pruebas de funcionamiento, en el
cual se realizó el siguiente montaje eléctrico Figura 37 y se obtuvieron las
siguientes medidas eléctricas (Tabla 8):
Figura 37. Modelo eléctrico del montaje propuesto para la prueba de
funcionalidad de los dispositivos de aprovechamiento Mareomotriz.
Se resalta que los la resistencia e inductancia del generador se toman
despreciables debido a sus valores no significativos
Tabla 8. Medidas eléctricas y mecánicas tomadas durante la prueba del
dispositivo de aprovechamiento mareomotriz
Cabe resaltar que durante la prueba se midieron los valores de velocidad, con
ayuda de un tacómetro, y los valores de tensión, corriente, resistencia con ayuda
del multímetro y el torque se calculó teniendo en cuenta la formula 𝑃𝑔𝑒𝑛 = 𝜔 ∗ 𝜏
69
Teniendo en cuenta las pérdidas del generador D.C como se muestra en la figura
38, en este sistema se despreció las perdidas por fricción de los sistemas con el
agua, se logra evidenciar que en este prototipo genera un promedio de 12 VDC,
de esta forma se puede calcular que generaría una potencia máxima de 144 W,
pero durante la prueba realizada el sistema eléctrico con carga genero un
promedio de 7 W, los cuales se almacenan en una batería previamente instalada.
Figura 38. Diagrama de pérdidas en el generador D.C
Durante la prueba de funcionalidad se pudo determinar que el sistema
construido (simulador y sistema generador eléctrico), genera un promedio de
12.36 VDC y genera una potencia máxima de 144 W.
Luego de realizar los cálculos se determina que el sistema diseñado y construido
de generación mareomotríz tiene una eficiencia sobresaliente ya que la
electrobomba se alimenta de 26 W AC y el generador nos entrega un máximo de
144 W DC.
Figura 39. Medidas eléctricas tomadas al sistema de generación eléctrica
mareomotriz.
Potencia mecánica
Potencia perdida en el hierro más las perdidas mecánicas
Potencia perdida por efecto Joule (Arrollamiento y escobillas)
Potencia eléctrica generada
70
Pruebas de funcionalidad del dispositivo de aprovechamiento Undimotríz.
Posteriormente a la construcción del sistema de energía mareomotríz, el cual se
encuentra compuesto por el dispositivo de aprovechamiento y por el simulador
de olas, se procede a realizar pruebas de funcionamiento, en el cual se realizó el
montaje eléctrico propuesto en la figura 37 y se obtuvieron las medidas
eléctricas mostradas en la tabla 9:
Tabla 9. Medidas eléctricas de dispositivo de aprovechamiento undimotríz
Durante la prueba de funcionalidad Figura 40, se pudo determinar que el
sistema construido (simulador y sistema generador eléctrico), como se observa
en la Figura 41 el sistema genera un promedio de 5.15,durante la prueba se
realizó con una carga resistiva de 10 Ω, de esta forma se puede calcular que
generaría una potencia máxima de 26.52 W, pero durante la prueba realizada el
sistema eléctrico con carga resistiva de 10 Ω , con esta genero un promedio de
2.5 W, los cuales se almacenan en una batería previamente instalada.
71
Figura 40. Modelo eléctrico del montaje propuesto para la prueba de
funcionalidad de los dispositivos de aprovechamiento Undimotríz.
Luego de realizar los cálculo se determina que el sistema diseñado y construido
de generación undimotríz tiene una eficiencia promedio bueno ya el sistema
simulador de olas se diseñó y construyó para ser accionado de manera manual,
promoviendo de esta forma el ahorro de energía eléctrica y mejorando la
eficiencia del sistema.
Figura 41. Medidas eléctricas tomadas al sistema de generación eléctrica
undimotríz.
72
Cabe destacar que el generador utilizado también es un generador de imanes
permanentes como el del artefacto de aprovechamiento anterior y para este se
aplican las mismas perdidas.
Sistema construido para el
aprovechamiento Mareomotríz
Sistema construido para el
aprovechamiento Undimotríz
El sistema de aprovechamiento
mareomotríz presentó mayor
dificultad debido a que en el diseño y
construcción, se tuvo que tener u
sistema auxiliar de acoplamiento de
poleas para evitar el uso de un
generador sumergible.
El sistema colector de energía
Undimotríz fue más sencillo ya que se
acopló directamente al generador
evitando perdidas en el transporte del
movimiento.
En cuanto al simulador de mareas, se
utilizó una electrobomba sumergible
alimentada a 120VAC, la cual fue
muy fácil su instalación.
Para el movimiento de las olas, se
diseñó un sistema de accionamiento
manual, economizando de esta forma
energía eléctrica, y facilitando el
diseño y construcción del sistema.
El sistema de aprovechamiento
mareomotríz tiene muy poca
afectación visual en el paisaje, pero
debido a que se instala a profundidad
puede llegar a afectar la fauna y flora
del sitio de instalación.
Referente al dispositivo de
aprovechamiento Undimotríz, este
tiene gran afectación visual ya que se
instala en la superficie y cerca de la
zona costera.
El artefacto diseñado y construido de
aprovechamiento mareomotríz genera
una tensión de 12 VDC.
El mecanismo diseñado y construido
de explotación Undimotríz genera una
tensión promedio de 5 VDC.
73
Sistema construido para el
aprovechamiento Mareomotríz
Sistema construido para el
aprovechamiento Undimotríz
Este dispositivo con la carga propuesta
de 22 Ω ,genera un promedio de 7 W
Con el artefacto de aprovechamiento
undimotríz con la carga resistiva
instalada de 10 Ω, genera u promedio
de 6 W
Este dispositivo puede generar un
máximo de 144 W DC si se instala una
carga de 1Ω que disipe esta potencia.
Este dispositivo puede generar un
máximo de 25W DC si se instala una
carga de 1Ω que disipe esta potencia.
Este artefacto construido gira con un
torque de 1.8 m*Nm y con una
velocidad de 3500 RPM
Este dispositivo gira a una velocidad
de 2500 RPM y con un torque de 1.2
m*Nm
El dispositivo aprovecha para moverse
la energía cinética que se presenta en el
fondo del agua.
Este sistema construido aprovecha la
energía potencial que se presenta por la
canalización del agua.
Con el diseño de este método de
aprovechamiento energético se debe
trasmitir el movimiento hasta la
superficie, para facilitar el transporte
de la energía eléctrica generada
Este sistema se diseñó y construyó de
manera que su transporte de energía
eléctrica es fácil, ya que se encuentra
instalado en la superficie
Este el sistema de aprovechamiento
Undimotríz genera mayor potencia, sin
embargo, este consume una potencia
mayor para su sistema de simulación.
Este sistema consume menos potencia
para su artefacto de simulación, pero a
su vez genera menor potencia.
Tabla 10. Comparación entre los dos dispositivos de aprovechamiento
energético diseñado y construido. (Compilación de los autores, 2015)
74
CONCLUSIONES
Mediante este trabajo se logró demostrar que el océano es una fuente no
convencional de energía que se debe tener en cuenta para posibles
aprovechamientos, también cabe resaltar que los dispositivos actualmente
diseñados para la generación eléctrica mediante el uso de esta fuente (mareas,
olas), son muy complicados de implementar ya que se debe hacer uso de
tecnología de punta, para que los sistemas sean rentables, y además de esto son
centrales eléctricas que afectan el paisaje y/o la fauna del lugar.
Con respecto a los dispositivos demostrativos que se diseñaron y se
construyeron en este proyecto se puede concluir que el dispositivo de generación
undimotríz, es un sistema innovador y con mejor eficiencia en comparación con
el sistema de aprovechamiento eléctrico mareomotríz, esto se debe a que el
sistema de simulación de olas se diseñó con un accionamiento manual evitando
el uso de energía eléctrica para su impulso, también se logra demostrar que el
sistema de generación mareomotríz es el más complicado de construir ya que se
debe tener en cuenta un sistema externo que transporta el movimiento hasta la
superficie.
Cabe destacar que el dispositivo de generación Mareomotriz genera un
promedio de 12 VDC y puede llegar a entregar una potencia de 144 W con una
carga resistiva de 1 Ω que disipe esta potencia, el artefacto de aprovechamiento
undimotríz en comparación con el mareomotríz genera un poco menos, este
genera un máximo de 25 WDC e igual que el caso anterior con una carga
resistiva de 1 Ω que disipe esta potencia.
Mediante la investigación y el análisis realizado en este proyecto, recopilando la
información de diferentes fuentes y experimentos que se han realizado por las
diversas entidades involucradas, se ha llegado a la conclusión que en el caso
75
Colombiano no es viable el desarrollo de un gran proyecto de generación
mareomotríz debido a que requiere de una gran inversión económica en
tecnología, y provoca un alto impacto ambiental en el sitio donde se construya,
dando como solución la instalación de pequeños proyectos de generación de
eléctrica a partir del aprovechamiento de las mareas, reduciendo los costos, y
con bajo impacto ambiental en la zona.
También cabe destacar que se logró recopilar y analizar la información de
antiguos proyectos acerca de esta fuente de aprovechamiento, en la cual se logra
concluir que en el Océano Pacifico cerca del cabo corriente ,se tiene gran
potencial de energía mareomotríz explotable y que referente a la energía
olamotriz o undimotríz el sitio perfecto para la explotaciones comercial es la
región de la Guajira debido a que en este sitio es uno de los lugares en
Colombia donde el viento viaja a mayor velocidad.
76
ANEXOS
Anexo 1. Especificaciones del multímetro Fluke 87 III (Fluke, 2005)
77
Anexo 2. Curva caracteristica del los generadores utilizados en los dispositivos
de aprovechamiento
78
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80