Trabajo De Titulacion Jhon Quiroz.docx

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA Comunidad al servicio del Pueblo

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA, INDUSTRIA Y CONSTRUCCIÓN CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DISEÑO, MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE ENERGÍA MAREOMOTRIZ PARA LA PROVINCIA DE GALÁPAGOS TRABAJO DE INVESTIGACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO

AUTOR: JHON ERICK QUIROZ QUEZADA DIRECTOR: ING. DANIEL ICAZA ÁLVAREZ Mgs.

MATRIZ CUENCA 2019

DECLARACIÓN

Yo, Jhon Erick Quiroz Quezada con cedula de identidad Nº 1720930278, declaro que el trabajo “DISEÑO, MODELADO Y SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE ENERGÍA MAREOMOTRIZ PARA LA PROVINCIA DE GALÁPAGOS” es de mi responsabilidad y autoría, eximo a la Universidad Católica de Cuenca y a sus representantes de posibles acciones legales. La Universidad Católica de Cuenca queda facultada para ejercer sus derechos correspondientes a este trabajo según lo establece la Ley de Propiedad Intelectual por su reglamento y norma institucional vigente.

________________________________________ Jhon Erick Quiroz Quezada CI: 1720930278

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CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo de titulación fue desarrollado por Jhon Erick Quiroz Quezada bajo mi supervisión.

___________________________________________ Ing. Daniel Icaza Álvarez Mgs. DIRECTOR

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AGRADECIMIENTOS

A Dios por regalarme la vida, sabiduría y perseverancia en este duro camino universitario, a mi hermano Jaime Antonio Quiroz Quezada que desde el principio confió en mí y me regalo su apoyo tanto moral como económico, también a mi madre Solanda Quezada y abuelita Evelia Rodríguez quiénes forjaron un joven de lucha para salir siempre adelante, siendo ellas un ejemplo para toda la vida, al resto de mi familia que a pesar de la distancia estuvieron al tanto de mis proyectos, motivándome y yo siendo su orgullo. A mi director de Tesis Ing. Daniel Icaza Álvarez MSc por su apoyo con las clases y sobre todo durante el desarrollo del trabajo de titulación,

a la

Universidad Católica de Cuenca, a todo el personal docente que me instruyeron durante la carrera estudiantil haciendo conocer mis errores y corregirlos, de igual manera a los amigos que hice que alguna vez me nombraron dirigente de curso depositando su confianza en mí, esperando nunca haberles defraudado, siempre voy a estar agradecido por aquello, sin dejar de lado al personal administrativo de la carrera de Ingeniería Eléctrica por brindar una excelente formación académica.

Jhon Erick Quiroz Quezada

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DEDICATORIA

El presente trabajo investigativo lo dedico principalmente a Dios, por ser el soporte principal de toda la fuerza y empeño que puso en mi para salir adelante con mi proyecto de tesis el cual lo eh culminado con conocimiento y sabiduría.

A mis padres, por el trabajo y sacrificio en todos estos años, gracias a ustedes he logrado llegar hasta aquí́ y convertirme en lo que soy. Ha sido el orgullo y el privilegio de ser su hijo, son los mejores padres.

A mis hermanos por estar siempre presentes, acompañándome y por el apoyo moral, que me brindaron a lo largo de esta etapa de mi vida.

A mis compañeros de clases y docente que me han apoyado durante la carrera dando como resultado que el trabajo se realice con éxito en especial a aquellos que nos abrieron las puertas y compartieron sus conocimientos. Jhon Erick Quiroz Quezada

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ÍNDICE DE CONTENIDOS DECLARACIÓN ........................................................................................................... 2 CERTIFICACIÓN .......................................................................................................... 3 AGRADECIMIENTOS .................................................................................................. 4 DEDICATORIA ............................................................................................................. 5 LISTA DE FIGURAS .................................................................................................... 9 LISTA DE TABLAS .................................................................................................... 11 LISTA DE ANEXOS ................................................................................................... 11 RESUMEN.................................................................................................................. 12 ABSTRACT ................................................................................................................ 13 INTRODUCCION ........................................................................................................ 14 CAPITULO 1 GENERALIDADES DEL PROYECTO ................................................................ 16 1.1

ANTECEDENTES. ..................................................................................................................... 16

1.2

ESTADO DEL ARTE .................................................................................................................. 17

1.3

EL PROBLEMA .......................................................................................................................... 21

1.3.1

Formulación del Problema ................................................................................................. 21

1.3.2

Delimitación del Problema ................................................................................................. 22

1.3.3

Problemática .......................................................................................................................... 23

1.4

ZONA DE ESTUDIO.................................................................................................................. 23

1.5

JUSTIFICACIÓN......................................................................................................................... 25

1.6

OBJETIVOS ............................................................................................................................... 26

1.6.1

General .................................................................................................................................... 26

1.6.2

Específicos ............................................................................................................................. 26

CAPITULO 2. MARCO TEORICO .................................................................................................. 27 2.1

ENERGÍA MAREOMOTRIZ........................................................................................................ 27

2.1.1

Presa de marea:.................................................................................................................... 28

2.1.2

Energía mareomotriz dinámica: ....................................................................................... 29

2.1.3

Generador de la corriente de marea (TSG – Tidal Sream Generators):............. 29

2.2

ENERGÍA DE LAS MAREAS...................................................................................................... 29

2.3

RECURSOS DE LAS MAREAS ................................................................................................. 31

2.4

FÍSICA DE LAS MAREAS .......................................................................................................... 31

2.5

LA INFLUENCIA DEL SOL Y LA LUNA...................................................................................... 32 6

2.6

CORRIENTES Y TORMENTAS ................................................................................................. 33

2.7

CARACTERÍSTICA DE LAS PLAYAS........................................................................................ 34

2.8

EL RECURSO ............................................................................................................................ 34

2.9

ENERGÍA DE LAS OLAS ........................................................................................................... 35

CAPITULO 3. DISEÑO DE LA CENTRAL MAREOMOTRIZ ................................................. 41 3.1

ASPECTOS REFERENTES A LA CONSTRUCCIÓN ................................................................ 41

3.2

CONDICIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA REPRESA............................................... 41

3.3

PARÁMETROS .......................................................................................................................... 42

3.4

ESTUARIOS ............................................................................................................................... 43

3.5

CONSIDERACIONES AMBIENTALES ...................................................................................... 44

3.6

ASPECTOS ECONÓMICOS ...................................................................................................... 46

3.7

CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CENTRALES MAREOMOTRICES.......................... 46

3.8

CICLO DE SIMPLE EFECTO ..................................................................................................... 47

3.9

CICLO DE DOBLE EFECTO CON TURBINAS REVERSIBLES ................................................ 48

3.10

CICLO DE ACUMULACIÓN POR BOMBEO .............................................................................. 50

3.11

UNIDADES TURBOGENERADORAS........................................................................................ 50

3.11.1 Unidades tipo bulbo ............................................................................................................. 51 3.11.2 Los pequeños y Bulbos medios ....................................................................................... 51 3.11.3 Grupos en sifón ..................................................................................................................... 51 3.11.4 Grupos en cámara abierta ................................................................................................. 52 3.11.5 Diseño de los grupos bulbo. .............................................................................................. 53 3.11.6 Tubo de aspiración ............................................................................................................... 53 3.12

CONDUCTOS ............................................................................................................................ 54

3.13

CAVITACIÓN.............................................................................................................................. 55

3.14

DISPOSICIÓN DE LA CENTRAL EN AUTOCAD .................................................................... 55

CAPITULO 4. ENERGIA MAREOMOTRIZ EN LAS ISLAS GALAPAGOS ...................... 55 4.1

RECURSO MAREOMOTRIZ EN EL ARCHIPIÉLAGO DE GALÁPAGOS. ............................... 56

4.2

CARACTERÍSTICAS DE LAS CORRIENTES Y MAREAS. ....................................................... 57

4.2.1

Bahía del Naufragio. ............................................................................................................ 57

4.2.2

Bahía Academia .................................................................................................................... 58

4.2.3

Isla Baltra ................................................................................................................................ 59

4.2.4

Puerto Villamil. ....................................................................................................................... 60

4.3

ANÁLISIS DE SITIOS FACTIBLES PARA EL APROVECHAMIENTO DE ENERGÍA

MAREOMOTRIZ. ........................................................................................................................................ 61

4.3.1

Sitios potenciales para la implementación de energía mareomotriz..................... 62

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4.4

DISEÑO DE LA TURBINA .......................................................................................................... 65

4.5

DISEÑO DE TRANSMISIÓN MECÁNICA .................................................................................. 69

4.6

DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO........................................................................................ 69

4.6.1

Generador ............................................................................................................................... 70

4.6.2

Convertidor AC/DC .............................................................................................................. 70

4.6.3

Línea DC ................................................................................................................................. 70

4.6.4

Inversor monofásico. ........................................................................................................... 71

4.6.5

Modelo detallado del sistema ........................................................................................... 71

4.7

RESULTADOS DEL MODELO ................................................................................................... 73

4.8

ESTRUCTURA DEL GENERADOR ........................................................................................... 84

4.9

TRANSMISIÓN ........................................................................................................................... 87

4.10

COSTO DE LA ENERGÍA .......................................................................................................... 87

CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 90 RECOMENDACIONES ....................................................................................................................... 92 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................................... 93 ANEXOS.................................................................................................................................................. 96 ANEXO A. LEY DE BETZ ......................................................................................................................... 96 ANEXO B. CARTA ISLAS GALÁPAGOS ................................................................................................. 98 ANEXO C. DISTRIBUCIÓN DEL CUARTO DE MÁQUINAS. ................................................................... 99 ANEXO D. DIAGRAMA UNIFILAR CENTRAL MAREOMOTRIZ .......................................................... 100

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1Jindo Uldolmok en Corea del Sur ............................................................................................ 28 Figura 2 Prototipo de generados de corriente de marea. ............................................................. 29 Figura 3 Turbina de un sistema mareomotriz, colocada ............................................................... 30 Figura 4 Molino de agua de la edad media. ........................................................................................ 31 Figura 5 Esquema de las mareas. ............................................................................................................ 33 Figura 6 Características de las olas......................................................................................................... 35 Figura 7 Energía producida por las olas y corrientes ..................................................................... 40 Figura 8 Estuario del rio Klamath, California....................................................................................... 44 Figura 9 Estuario del Rio de la Plata ....................................................................................................... 45 Figura 10 Estuario del Rio de Oro ............................................................................................................ 46 Figura 11 Demostración del proceso del ciclo simple efecto...................................................... 47 Figura 12 Demostración del proceso del ciclo simple efecto...................................................... 48 Figura 13 Demostración del proceso del ciclo doble efecto. ....................................................... 49 Figura 14 Demostración del proceso del ciclo doble efecto. ....................................................... 49 Figura 15 Demostración del proceso del ciclo de acumulación por bombeo. .................... 50 Figura 16 Grupo sifón- aspirador. ............................................................................................................ 52 Figura 17 Turbina bulbo moderno con cámara abierta, instalada en dique. ..................... 52 Figura 18 Pérdida de carga en el tubo de aspiración de turbinas Bulbo y Kaplan. ....... 53 Figura 19 Lugares potenciales para la generación de energía mareomotriz. .................... 64 Figura 20 Curva de potencia, turbina seleccionada. ...................................................................... 69 Figura 21 Modelo completo del sistema. ............................................................................................... 72 Figura 22 Modelo de mareas del sistema. ........................................................................................... 73 Figura 23 Modificación de un parámetro............................................................................................... 74 Figura 24 Turbina. ............................................................................................................................................. 75 Figura 25 Parámetros de la turbina. ........................................................................................................ 75 Figura 26 Generador de imanes permanentes. ................................................................................. 76 Figura 27 Generador de imanes permanentes parámetros a. ................................................... 77 Figura 28 Generador de imanes permanentes parámetros b..................................................... 77 Figura 29 Convertidor AC/DC ..................................................................................................................... 78 Figura 30 Parámetros, convertidor AC/DC........................................................................................... 78 Figura 31 Conexión convertidor AC/DC e inversor. ......................................................................... 79 Figura 32 Parámetros del inversor. .......................................................................................................... 79 Figura 33 Generador de pulsos PWM. ................................................................................................... 80

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Figura 34 Corriente del estator fase a. ................................................................................................... 81 Figura 35 Corriente del estator fase b. ................................................................................................... 81 Figura 36 Corriente del estator fase c. ................................................................................................... 82 Figura 37 Torque electromagnético. ........................................................................................................ 82 Figura 38 Salida de la turbina Tm............................................................................................................. 83 Figura 39 Salida del convertidor AC/DC. .............................................................................................. 83 Figura 40 Potencia generada...................................................................................................................... 84 Figura 41 Sistema aproximado. ................................................................................................................. 85 Figura 42 Sistema aproximado detallado. ............................................................................................ 86 Figura 43 Orientación de la turnia, pivoteo. ......................................................................................... 86 Figura 44 Sistema de engranajes relación 1:3. ................................................................................. 87 Figura 45 Ilustración tubo varias secciones. ....................................................................................... 96

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LISTA DE TABLAS Tabla 1. Relación oleaje y velocidad del viento. .................................................................................................... 38 Tabla 2. Clasificación de las olas. ................................................................................................................................. 39 Tabla 3. Características de las corrientes islas Galápagos. ........................................................................... 61 Tabla 4. Formas de energía. Características presentes en Ecuador. ....................................................... 62 Tabla 5. Eficiencias componentes de central mareomotriz. ............................................................................ 67 Tabla 6. Costo de la energía. ........................................................................................................................................... 89

LISTA DE ANEXOS

Anexo A. Ley de Betz ................................................................................................. 96 Anexo B. Carta islas Galápagos ................................................................................. 98 Anexo C. Distribución del cuarto de máquinas. ........................................................... 99 Anexo D. Diagrama Unifilar Central Mareomotriz ................................................................................... 100

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RESUMEN Debido a la alta dependencia de los combustibles fósiles en las islas Galápagos y el costo de estos, traen efectos adversos al medio ambiente como el calentamiento global, al tratarse de una alta demanda de energía eléctrica se limita por la falta de combustible para la generación eléctrica. Es necesario explorar nuevas fuentes de energías como alternativa a las convencionales; se ha visto la necesidad de realizar una investigación para el diseño de una central mareomotriz, para su posible implementación en las islas Galápagos tomando en cuenta las normativas ambientales de la provincia de tal manera no afecte al medio ambiente como la flora y fauna (terrestre y marítima). Es esencial realizar un estudio del recurso de las mareas existente en Galápagos para determinar el lugar óptimo para la posible implementación de la central. El estudio de las mareas servirá para el diseño y dimensionamiento de la central, además para simular mediante Matlab-Simulink el funcionamiento aproximado de central en cuestión, entregando resultados de relevancia como la potencia generada. El presente trabajo de titulación se divide en cuatro capítulos; el primero se revisa la introducción correspondiente a fuentes de energía renovables, en un segundo capítulo se especifican las características técnicas para el diseño de una central mareomotriz, en un tercero se realiza un estudio del recurso de las mareas en las islas Galápagos para realizar el diseño de la central mareomotriz, y finalmente en el capítulo cuarto se analizan los resultados obtenidos de la simulación en diferentes condiciones logrando obtener conclusiones y recomendaciones respectivas. Palabras clave: ENERGIA MAREOMOTRIZ, CENTRAL MAREOMOTRIZ, VELOCIDAD DE LAS MAREAS, ISLAS GALAPAGOS, MATLAB-SIMULINK.

Ing. Daniel Icaza Álvarez Mgs.

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ABSTRACT

Due to the high dependence of fossil fuels in the Galapagos Islands and the cost of these, they bring adverse effects to the environment such as global warming, as it is a high demand for electricity is limited by the lack of fuel for power generation. It is necessary to explore new energy sources as an alternative to conventional ones; The need to conduct research for the design of a tidal power plant has been seen, for possible implementation in the Galapagos Islands taking into account the environmental regulations of the province in such a way that it does not affect the environment such as flora and fauna (terrestrial and maritime).

It is essential to carry out a study of the existing tidal resource in Galapagos to determine the optimum place for the possible implementation of the plant. The study of the tides will serve for the design and sizing of the plant, in addition to simulate through Matlab-Simulink the approximate operation of the plant in question, delivering results of relevance as the power generated.

The present titling work is divided into four chapters; the first one reviews the introduction corresponding to renewable energy sources, in a second chapter the technical characteristics for the design of a tidal power plant are specified, in a third a study of the tides resource in the Galapagos Islands is made to carry out the design of the tidal power station, and finally in the fourth chapter, the results obtained from the simulation are analyzed in different conditions, obtaining conclusions and respective recommendations. KEY WORDS: MAREOMOTRIZ ENERGY, MAREOMOTRIZ CENTRAL, SPEED OF THE TIDES, GALAPAGOS ISLANDS, MATLAB-SIMULINK.

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INTRODUCCION

Gran parte de contaminación a nivel mundial es ocasionada por los altos índices de carbono en el medio ambiente, esto ocurre porque en las grandes industrias se emplea maquinaria y equipos que, en sus principal componentes y fuentes de energía, explotan combustibles fósiles. Se explotan estos recursos aun previendo que, en algún punto de la historia de la Tierra, estos se llegaran a extinguir, ya que no son renovables. Unas de las consecuencias más notorias, en el medio ambiente, del impacto ambiental, es el calentamiento global; en diferentes regiones del planeta se presentan épocas con temperaturas elevadas y, en otras, congelamiento. Los glaciales han ascendido de una manera periódica cada 7 mil años, esto quiere decir que en la época actual se han producido nuevas eras de hielo. Los problemas climáticos han ocurrido durante toda la historia de la humanidad, de manera muy natural en los primeros siglos, pero que se han acelerado de una manera descomunal en las últimas décadas. Para evitar muchas de las catástrofes que causa la contaminación ambiental, se han creado sistemas en los que se aprovecha la energía que la naturaleza provee, tales como: viento, luz solar, agua. Esta energía limpia, es 31 veces menos contaminante que los sistemas comunes. Por lo tanto, se han propuesto un sin número de proyectos, en los que el principal objetivo es producir y aprovechar energía renovable, con un índice reducido de impacto ambiental. La oscilación de los océanos, la luz solar, la fuerza del viento tienen un gran potencial energético; el cual, con equipos adecuados, se puede aprovechar creando sistemas en los cuales las variaciones de los elementos naturales puedan producir energía, sin causar impacto ambiental. El uso de estas energías limpias aporta a la Tierra y a los gobiernos un sin número de beneficios, dentro de los cuales se pueden mencionar: disminución de emisión de CO2 al medio ambiente, costos significativamente inferiores en comparación a los sistemas que emplean combustibles fósiles, un cambio en el estado actual de este planeta.

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Uno de estos sistemas, consiste en aprovechar del nivel del mar, estos cambios de posición y oleaje son producto de la fuerza gravitatoria del sol, la luna y la Tierra. El ascenso y descenso del nivel del mar, es el comportamiento que se aprovechara con el sistema propuesto, una central mareomotriz. El proyecto se centra en la región insular, Galápagos. Una de las islas que posee Galápagos es la Isla Santa Cruz, ubicada en las coordenadas: 0º -45’ 0 N latitud y 90º º9’ 0 W longitud, en la mitad del archipiélago; tiene una superficie de 986 km2 y 864 m de altitud máxima; es una de las islas más pobladas del archipiélago y, en dimensiones, la segunda más grande. Se destaca por ser parte de un volcán pasivo, se estima que la última activación fue hace más de un millón de años. Las mareas que se presentan en esta parte de las Islas Galápagos son de un tipo llamado semidiurna, en el cual se registran pleamares y bajamares entre los meses de diciembre y abril. (Cruz, 2017) La central mareomotriz cuenta con turbinas, generadores y centrales terrestres, los cuales se encuentran en constante funcionamiento. La variación del nivel del mar, el avance y regreso de las aguas en las costas, generan suficiente potencia que activara las turbinas principales e inversas de este sistema; esta energía es procesada y dirigida hacia un generador, este es el encargado de convertir la energía mecánica en otro tipo de energía como la energía eléctrica, posterior a este proceso, se exportara constantemente, por medio de cables conectados a la central terrestre, la energía eléctrica obtenida, con el fin de abastecer de manera segura y limpia a la Isla Santa Cruz.

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CAPITULO 1 GENERALIDADES DEL PROYECTO

1.1

Antecedentes. La Isla Santa Cruz se encuentra a una distancia de 600 millas náuticas (1111,2 km) de las costas ecuatorianas. Debido a la ubicación geográfica, se dificulta el acceso de algunos servicios a ese territorio, por lo que la Isla se abastece de energía eléctrica proveniente de generadores térmicos es decir a Diésel. En el año 2001 un buque, perteneciente al generador térmico, exploto, derramando en el océano más de 600 000 toneladas de diésel y otro combustible pesado que, por las corrientes oceánicas, se dispersó con rapidez, afectando de maneras inimaginables a la flora y fauna del archipiélago; científicos e investigadores expusieron, un año después, que la población de iguanas se había reducido significativamente, encontrando muertas al 62% de las iguanas de las Islas Galápagos. Muchas de las investigaciones presentaron un conflicto aun latente, y es que, en el momento del derramamiento de este combustible, el agua, la fauna y flora se intoxico; lo cual se resume en algas (alimento de las iguanas) altamente toxicas, lo cual envenena a los animales que la ingieren, y el organismo de los animales muy afectado. Desde ese día, cada año se han registrado derramamientos, en menor escala, pero no menos contaminante, de diésel al océano; por la mala manipulación de los lugares de transporte y almacenamiento de este combustible. Es por este motivo, que en el año 2003 la implementación de energía renovable tuvo un gran impacto gracias a un convenio desarrollado a favor de ello. En ese año los ministerios de Energía y de Ambiente conjunto con el Grupo Internacional Fondo E7, firmó un convenio de cooperación para el desarrollo de energías renovables, tales como: eólica y solar; proyectos en los cuales se aprovechan el viento y los rayos solares para obtener energía eléctrica.

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1.2

Estado del Arte En la actualidad existe la necesidad de buscar alternativas para la producción de energía eléctrica. El uso de combustibles fósiles como base para producir electricidad, tiene un gran impacto sobre el medio ambiente contribuyendo al calentamiento global, el cual se ha convertido en un tema de controversia en la actualidad. Es por ello que las energías renovables tienen un gran impacto en las diferentes líneas de investigación (T. Wang & Yang, 2017) . Una de las energías renovables atractivas es la mareomotriz, aunque no se ha logrado desarrollar al máximo los medios para la explotación del potencial del mar. Los océanos y los ríos ofrecen una gran energía potencial gracias a la acción de la corriente con el agua. La energía proviene de las olas, océanos y corrientes marinas son aprovechados por turbinas que están sumergidas en las profundidades del océano. La forma tradicional para capturar energía utilizaba turbinas offshore, es decir cerca de la costa. Pero el costo de construcción y mantenimiento es muy elevado lo cual le hace no viable (Barbarelli, Florio, Amelio, & Scornaienchi, 2018). Aunque una onshore, es decir dentro del mar, tiene sus inconvenientes, puesto que el costo del transporte de materiales, las dificultades de construcción y los problemas en las torres como corrosión producidas por las corrientes marinas en las estructuras están presentes. Pero los beneficios en términos de productividad son muy elevados (Loisel, SánchezAngulo, Schoefs, & Gaillard, 2018). Dentro de las maneras de obtener energía renovable se encuentran los sistemas mareomotrices; la energía que se recepta en estos sistemas es a través de bobinas sumergidas en el mar. La energía eléctrica se la obtiene mediante la trasmisión de energía mecánica, de las bobinas, a transformadores y posteriormente a la red. Debido al constante cambio de la intensidad de la marea, se pueden producir un cambio en la calidad de la energía (Xiros, Sultan, VanZwieten, & Tzelepis, 2015). Uno de los principales beneficios del uso de energía mareomotriz es disminución drástica de la emisión de carbono al medio ambiente, y la capacidad de la marea representa una producción acelerada de energía, lo cual es un importante aporte a la economía de una región (Collin, Nambiar, Kiprakis, Rea, & Whitby, 2015). Obtener energía mediante este sistema, no tiene repercusiones para el medio ambiente, los costos disminuyen y se los está proyectando para usos consecutivos en un futuro. Cuando se tiene este tipo de sistemas se busca la

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optimización de costos por kWh, para lo cual se debe buscar abarcar suficiente área para que la corriente ejerza la fuerza suficiente para producir movimiento de las turbinas, pero se debe tener en consideración que no se sobredimensionarán los equipos del sistema a diseñar. Para el diseño de un sistema Mareomotriz se debe considerar las limitaciones de estos proyectos; tales como potencia insuficiente, torsión de las cadenas y pérdida de las cadenas eléctricas (Bernuau, Glumineau, Plestan, & Moussaoui, 2015). La propuesta es desarrollar un proyecto técnica que permita aprovechar la energía mareomotriz existente en las islas galápagos. Con el análisis del extenso estado del arte que se pretende realizar, se escoge un modelo tentativo para adaptarlo a la problemática que tenemos en las islas galápagos. Para validar el modelo se propone las programación y simulación en el software Matlab. Para que nos permita conocer de manera aproximada la cantidad de energía que se produciría con la central propuesta. Es necesario revisar de forma cuidadosa los modelos existentes en la literatura revisada ya que en algunos existen factores que no intervienen en nuestro caso de estudio. En la actualidad, se obtiene energía eléctrica de varias fuentes, con diferentes procesos y aprovechando diversos elementos naturales y artificiales. Pero los sistemas que emplean combustibles fósiles, gases, radioactividad y algunos más, intoxican al medio ambiente de tal manera que influye en el cambio climático y estabilidad del ecosistema, como consecuencia de ello se producen inundaciones, periodos de sequía, entre otros; estos son efectos de la contaminación ambiental, lo cual afecta directamente a la economía mundial; además impactan 31 veces más que los sistemas de energía limpia. Existen maneras limpias de obtener energía eléctrica, conocidas así por el aprovechamiento de elementos naturales como: el viento, mares y océanos, rayos solares (Zhang et al., 2017). Los ríos, mares y océanos tienen un gran potencial energético, el cual mediante diferentes sistemas se convierte en energía eléctrica; la fuerza del agua puede generar entre 20 000 TW/h y 80 000 TWh (Terawatt-hora) (Kitazawa & Zhang, 2016). La energía mareomotriz es una de las energías limpias que se encuentran en apogeo, este sistema aprovecha el comportamiento de la marea

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(ascenso y descenso del agua del mar), movimientos que están influenciados por las fuerzas de gravedad emitidas por el sol y la luna. Este sistema cuenta con un dique, que se encarga del almacenaje de agua y evitando fluctuaciones de potencia, el movimiento de este logra que las turbinas sumergidas giren, transmitiendo la energía cinética del agua a la turbina y esta a su vez convirtiéndola en energía mecánica, la cual, a través de un transformador, se convierte en energía eléctrica (Member, 2015). En el diseño de esta estructura, se debe considerar las oscilaciones del mar, el cambio en la potencia del agua y algunos factores extra; el sobredimensionamiento del dispositivo afecta directamente la calidad del funcionamiento de este y los costos del proyecto. Se emplean convertidores directos, que se acoplan al movimiento del agua, se puede describir como una boya que se mueve verticalmente, a la par de las olas. Se debe tener en cuenta que la fricción de este equipo, es decir movimientos descontrolados del dispositivo y las olas del mar, puede traducirse a un desequilibrio de la boya, lo cual reduce la calidad de energía que se está produciendo (Bernuau et al., 2015). También se puede tomar en cuenta un concepto que se basa en controles que funcionan a larga distancia, para los cuales se emplea una matriz de marea. Este sistema se conecta a cada turbina mediante cables sumergidos que cuentan con corriente trifásica en la orilla. Cuenta con una caja de cambios y un generador que no se activa automáticamente, sino que se debe instalar conjunto a todos los dispositivos de medida y protección. Una vez obtenida la energía se redirige a una conexión en la red que emplea una trasmisión de CC de alta tensión, esta corriente es de alto voltaje. (Shek, Sousounis, & Mueller, 2016) La siguiente propuesta comprende 4 diferentes maneras de controlar el sistema, se tiene: corriente constante, potencia constante, resistencia constante y voltaje constante. Estos parámetros no solo controlan, sino que se los emplea para la evaluación de parámetros de potencia, para realizar seguimientos de los puntos de máxima potencia y algunos análisis más que son muy útiles. Los elementos utilizados en esta propuesta están desarrollados en base a STM32; cabe mencionar que los datos que se controlan a través de este sistema se lo realizan mediante GPRS. El sistema se compone por un circuito principal de carga electrónica de potencia, está formado por seis diodos de potencia, interruptores electrónicos de

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alta potencia, además este módulo está controlado en tres diferentes lugares, lo que garantiza que haya un amplio rango de ajuste dinámico. Cuando existe corrientes marinas fuertes, las turbinas trabajan generando electricidad, y en ese punto, únicamente 2 diodos se encienden (diodos de alimentación); esto ocurre puesto que se busca que las ondas de tensión rectificada CC, el circuito del filtro y el condensador DC se unan formando una corriente continua dentro del circuito principal (S. Wang et al., 2014). Existen varias propuestas que tienen como objetivo obtener energía eléctrica aprovechando el potencial energético de mares y océanos. El sistema que se expone a continuación busca aumentar la producción de energía eléctrica, basándose en un diseño de turbinas con generados de inducción. Este sistema de turbinas emplea la corriente oceánica para producir electricidad. Para la construcción de este dispositivo, se debe evaluar un algoritmo de control para la toma de fuerza, este sistema se encuentra en el eje horizontal, cuenta con una pala de rotor de tres metros (3m) de diámetro, que se diseñó para producir aproximadamente una potencia máxima de 20kW. Este dispositivo se conecta, mediante un cable, a una placa, la cual está conectada a una línea principal de amarre, esta conexión va desde la boya (en la superficie) hasta el fondo del mar. Las turbinas deben ser diseñadas de manera rígida, en este proceso se incluye a los cables de amarre, puesto que esto garantiza la eficiencia computaciones de la placa, la cual es un modelo estacionario para los análisis. Una vez determinado el diseño mecánico de la turbina se debe proceder al sistema de alimentación, proponiendo modelos números y de potencia, los cuales son obtenidos mediante una máquina asíncrona que cuenta con un motor de inducción de 50 HP (Xiros et al., 2015).

20

1.3 1.3.1

El Problema Formulación del Problema Un problema muy grande en el mundo es la dependencia de los combustibles fósiles para generar electricidad, estos provocan un fuerte impacto ambiental como lo es el cambio climático que afecta directamente al calentamiento global y de forma directa afecta a la flora y la fauna existentes en algunas islas importantes por su biodiversidad. Las consecuencias pueden ser fuertes temporales o más graves y de forma permanente como lo es el calentamiento global. Es de gran importancia seguir explorando los campos de las energías renovables para buscar una mejor alternativa para la obtención de energía eléctrica. La generación de energía con combustibles fósiles como el petróleo, gas, carbón y combustibles radiactivos produce un impacto ambiental 31 veces mayor a las energías renovables como la solar, hídrica, eólica. Siendo la última energía mencionada la más limpia. Una de las principales ventajas de usar la energía renovable es que además de tener un impacto ambiental reducido, puesto que el número de contaminantes emitidos hacia la atmósfera es menor evitando de esta forma el calentamiento de la tierra. Además, que la distribución territorial es más dispersa y no tan concentrada como la energía convencional. Toda fuente de energía renovable se basa en flujos y ciclos que son naturales del planeta. Puesto que son aquellas que se regeneran, además de ser abundantes. Esto las hace duraderas, pues perduran por miles de años, se las use o no. Y usadas con la responsabilidad adecuada no destruyen al medio ambiente. Existe una ventaja muy favorable de las energías renovables, la cual es que al ser dispersa, se la puede implementar en cualquier lugar que cumpla con los requisitos técnicos. Es decir, en lugares alejados o aislados donde la energía convencional es muy complicada que llegue. Y si se la produce seria mediante combustión.

Por ejemplo, en islas es posible aprovechar el gran potencial

existente en el mar.

21

Garantizar la electricidad en una isla puede llegar a ser muy complicado, se usa combustión para ello, esto implica un problema, se requiere tener continuidad de abastecimiento de combustible, lo cual resulta muy difícil al ser una isla. Además, si es un atractivo turístico, al no garantizar la continuidad de electricidad puede disminuir la satisfacción de los turistas y esto se traduce en dinero. Este problema se lo puede mitigar de alguna manera aprovechando la energía mareomotriz la que está a la orden del día en las islas. Toda la electricidad, calefacción y refrigeración que son generados con las fuentes de energía renovable. Al incrementar sus fuentes de generación, se fomenta la participación de energía renovable se asegura la generación de electricidad sostenible a largo plazo, ya que estas energías son ilimitadas.

Si son aplicadas de manera

responsable socialmente, se podrían generar muchas fuentes de empleo en zonas donde se instalen las centrales de energías limpias, de esa manera se promueve a su vez el desarrollo técnico social. 1.3.2

Delimitación del Problema No existe un estudio que proponga aprovechar el potencial mareomotriz de las islas Galápagos, puesto que es una tecnología en vías de desarrollo. El presente trabajo parte de la idea de tratar de aprovechar la energía mareomotriz de las islas Galápagos, proponiendo el diseño de una central mareomotriz para este fin. Lo más importante de ello es analizar la parte técnica necesaria para hacer el estudio, diseño y poder hacer las respectivas simulaciones. Apunta a mejorar la continuidad de servicio en las islas Galápagos, así como reducir la energía convencional que es limitada y no está en la capacidad de brindar energía de manera continua.

22

1.3.3

Problemática Aun con los sistemas renovables integrados en el archipiélago y más cercano a la Isla Santa Cruz, isla Baltra, todavía cuenta con mecanismos que emplean combustibles

fósiles,

registrando

de

manera

periódica

derrames

y

estancamientos y por ende la contaminación del medio ambiente. En los meses comprendidos entre febrero y mayo se observó un decrecimiento en la velocidad del viento hasta en 5,8 nudos; lo cual dificulta el aprovechamiento de energía eólica en los parques eólicos de la Isla Baltra (que es parte de la Isla Santa Cruz). El transporte y manejo de los desechos ocasionados por los generadores térmicos todavía producen un gran impacto en el ambiente de las islas, lo cual, teniendo en cuenta la velocidad en la que se expande gracias a las corrientes marinas y el viento, se sigue contaminando al ecosistema. Por esta contaminación, la vida de muchas especies de flora y fauna marina y terrestres están en riesgo. Cabe mencionar que en el archipiélago existen especies únicas en el mundo, cuyo índice poblacional está decreciendo drásticamente gracias a los mecanismos de obtención de energía y un ineficiente proceso de transporte y almacenaje que ha impuesto el hombre en esos territorios. A esto se le puede sumar el derroche de energía, basura y compuestos tóxicos al ecosistema; sin un sistema de aprovechamiento de energía renovable y un plan de conservación ambiental, el ecosistema de las Islas Galápagos se deteriorará. 1.4

Zona De Estudio El Archipiélago de Galápagos, constituye un conjunto de islas situado a972 km/ 525 millas náuticas al oeste de la costa ecuatoriana. Posee las siguientes coordenadas 01°40’N;01°36’S; 089°16’W y 092°01’W, están atravesados por la línea ecuatorial en los volcanes Wolf y Ecuador de la isla Isabela. La superficie total que posee el Archipiélago es de 8010 km2 , el mar interior que posee es de 45666km2 , y un mar territorial insular de 817392 km2 . La distancia máxima de 431 km existe entre dos puntos más lejanos del

23

archipiélago, dichos puntos separan la esquina noreste de la isla de Darwin de la esquina sudeste de la isla española. Según el Parque Nacional Galápagos, las Islas Galápagos poseen 233 unidades terrestres que están emergidas, esta cifra es abierta ya que los procesos que lo modelan son dinámicos. Posee 13 islas grandes, cuyas superficies son mayores a 10 km2 . Cinco de las islas se consideran medianas, sus tamaños oscilan entre 1 y 10 km2 y las 215 unidades restantes constituyen islotes de tamaño pequeño. El origen del archipiélago es volcánico, esto quiere decir en términos geológicos y volcánicos que las islas son jóvenes. Ya que estas emergieron hace unos 5 millones de años y aún están en proceso de formación. La cadena de volcanes que posee el archipiélago lo convierte en uno de los grupos volcánicos más activos del mundo. Posee una superficie emergida de 7995,4 km2 y la línea de costa de 1688 km. En conjunto algunas islas representan el 93 % de la superficie de las Islas Galápagos. Dichas islas son La isla Isabela, Santiago, Fernandina, Santa Cruz y San Cristóbal. Es importante decir que la isla Isabela es la de mayor tamaño con 4696,5 km2 , esto representa al 58% de la extensión total de Galápagos. Debido a su diversidad y su importancia ecológica, cultural, económica y educacional para la conservación y mantenimiento de especies únicas en el mundo, la UNESCO la declaró en 1979 como Patrimonio Natural de la humanidad, además en 1985 le otorgó el galardón de Reserva de la Biosfera. En 2001 se incluyó a la reserva marina de Galápagos en una lista muy importante como patrimonio de la humanidad. En 2007 la UNESCO declaro al Archipiélago como Patrimonio de la humanidad en riesgo medioambiental, esto fue debido a las amenazas como la introducción de especies invasoras, el turismo descontrolado, la pesca indiscriminada. Siendo declarada Galápagos como patrimonio en peligro inminente hasta el 2010 (“ELECGALAPAGOS,” 2016).

24

1.5

Justificación El cambio climático es un hecho que todos conocemos, y es una tarea ardua reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Puesto que la mayoría de la energía consumida en el planeta proviene de la quema de combustibles fósiles, Dichos tipos de combustibles son usados por las centrales térmicas, las cuales se necesitan reemplazar por fuentes renovables. Se propone la implementación de una central eléctrica, pero que sea diferente a las fuentes que se basan en hidrocarburos. Por ello el diseño, modelado y simulación de una central mareomotriz es propuesto para el Archipiélago de Galápagos. Pues se requiere el aprovechamiento de los recursos naturales tomando en cuenta la preocupación de reducir costos de generación juntamente con la contaminación, para lograr un equilibrio ecológico. Esto afectará directamente a los habitantes de las islas Galápagos y de una forma directa a los turistas. Podrán tener continuidad de servicio eléctrico para cualquier actividad turística que se requiera o simplemente para el hogar de los habitantes. Las islas Galápagos al ser una serie de islas que contienen al océano Pacífico, a su alrededor las hacen muy factibles para aplicar centrales generadoras que aprovechen los recursos naturales. La replicabilidad es algo muy atractivo puesto que la implementación de la primera central mareomotriz en Galápagos daría paso a que se lo replique en sus conjuntos de islas.

25

1.6 1.6.1

Objetivos General Comprobar la factibilidad de implementar una fuente de energía renovable “mareomotriz”, mediante la modelación de una central mareomotriz para la posible implementación en las islas galápagos.

1.6.2

Específicos Conocer las diferentes tecnologías para la generación de energía mareomotriz y su posible implementación en las islas Galápagos. Realizar el estudio de la aplicación de tecnologías para el aprovechamiento de las mareas en las islas Galápagos. Determinar un promedio de energía generada gracias a la nueva tecnología mareomotriz Construir un modelo matemático donde se incluyan las principales variables y permita realizar simulaciones en MATLAB. Realizar los diseños de la mecánica como del sistema eléctrico del sistema propuesto.

26

CAPITULO 2. MARCO TEORICO 2.1

Energía mareomotriz

Teniendo en cuenta que la energía producida por combustibles fósiles tiene un alto riesgo de extinción y además es causante de sin número de efectos negativos en el medio ambiente, tales como: cambio climático; para mitigar los efectos de la contaminación al que se encuentra expuesto el ecosistema por los procesos y materiales manipulados en estos sistemas, las naciones y comunidades científicas han puesto gran énfasis en la energía renovable. Estas técnicas, a más de ser económicas, son capaces de ofrecer energía limpia y amigable al medio ambiente, disminuyendo drásticamente la emisión de CO₂ a la atmosfera, puesto que el uso de materiales y elementos contaminantes es mínimo, se aprovecha elementos naturales como: la energía solar, el viento, la potencia del mar, la energía nuclear, etc. El agua es un elemento muy importante para la vida y desarrollo de la humanidad, se lo emplea en ámbitos industriales, comerciales, domésticos, de agricultura, entre otros. Pero también se encuentran los mares y océanos, poseedores de un gran potencial energético, el que puede ser aprovechado mediante la implementación de sistemas mecánicos, que transformen la energía mecánica en energía eléctrica mediante transformadores de energía. (Koschikowski, Wieghaus, & Rommel, 2009) La energía mareomotriz es una de las energías sostenibles del milenio; estos sistemas funcionan mediante la variación del nivel del mar, lo que ocurre gracias a fuerzas gravitatorias del sol y la luna; dependiendo de los perfiles topográficos y geografía de las costas, el nivel del mar puede ascender ente 2 y 15 metros. La manera en la que se ejecuta este sistema es por medio de una estructura, que es colocada en una zona en la que se dirija al agua a una cuenca; este dispositivo cuenta con turbinas y generadores que crean electricidad con el avance de las aguas, y cuando estas se dispongan en la dirección contraria, los generadores activen las turbinas reversibles, lo que garantiza un óptimo aprovechamiento de la potencia de las mareas, sea cual fuere su comportamiento (Orrego, n.d.).

27

Se llama energía limpia por que los sistemas de energía renovable no generan subproductos, después o durante el proceso de generación de energía, tóxicos líquidos, solidos o gaseosos. Se puede mencionar tres métodos de generación de energía mareomotriz, estos son: 2.1.1

Presa de marea:

Este sistema cuenta con el uso de la energía potencial que se produce en la perdida de carga (altura) de las mareas (altas y bajas). En el diseño de este método de generación se debe tener en cuenta que en la central mareomotriz se basa en construir un dique con el ancho de un estuario, en el cual se almacena el agua formando un embalse; está constituido de compuertas de entrada y salida del agua, la cual con la variación y potencia que se presenten transformara la energía mecánica en eléctrica. Su funcionamiento, actúa como los antiguos diseños de molinos en las orillas de los ríos, los cuales presentaban compuertas que se abrían cuando la marea se elevaba; este mismo concepto se toma en las centrales mareomotrices, las compuertas del dique se cierran, una vez alcanzado el máximo nivel, para formar un embalse el cual se descargara cuando las mareas externas hayan disminuido, de esta manera se aprovecha los desniveles, para el trabajo de las turbinas. Un óptimo sistema mareomotriz se debe instalar en puertos en los que el nivel de las mareas supere los 5 metros de altura; una central rentable debe contar con esta característica, la cual podría, tentativamente, producir hasta 600 millones de kilovatiohora (kWh) en un año de servicio continuo.

Figura 1. Jindo Uldolmok en Corea del Sur. (Shin Hayashi, 2017)

28

2.1.2

Energía mareomotriz dinámica:

Se emplea una tecnología que es capaz de explotar la interacción entre la energía potencial y cinética que se generan en las mareas. En este diseño se han propuesto algunas especificaciones, como: que en presas que tenga una vasta extensión (de hasta 50 km de longitud) se deben implementar desde las costas hasta fuera del océano, esto se lo hace sin encerrar áreas como en el primer método. Las diferencias de fase de este sistema se deben introducir a diferencias de mínimo 2,3 metros. (Erich & Wall, 2012) 2.1.3

Generador de la corriente de marea (TSG – Tidal Sream Generators):

Se emplea una estructura a sistema eólico, como las hélices cumplen con la función de generador de corrientes de viento, las turbinas de este generador de marea aprovechan la energía cinética de movimientos del agua del mar. Este método tiene un costo significativamente bajo, en comparación a las demás energías limpias como la eólica o solar; además de tener un menor impacto ecológico.

Figura 2. Prototipo de generados de corriente de marea. Proyecto SeanGen. Irlanda. (Alcorn & Sullivan, 2013) 2.2

Energía de las mareas En épocas pasadas, se empleaban molinos en los bordes de los ríos, se aprovechó

la potencia de los ríos para abastecer de agua a pequeñas poblaciones y en regadíos. Este mismo principio sirvió de base en el diseño de los métodos anteriormente mencionados; de tal manera que se emplean hélices o turbinas para generar energía eléctrica en un sistema mareomotriz. Las corrientes marinas se caracterizan por tener

29

el comportamiento más predecible a comparación de los otros sistemas de generación de energía eléctrica (viento, luz solar, entre otros) por este motivo, la implementación de este sistema de generación es uno de los proyectos considerados como energía del futuro. El aprovechamiento de las aguas del mar tiene gran diversidad de posibilidades, las que consisten en el movimiento de las olas, corrientes marinas, los componentes salinos del agua, la marea y el gradiente térmico del mar. Pero de todas las antes mencionadas, el comportamiento que ha logrado captar la atención de científicos y expertos en generación energética, ha sido los que se basan en la dinámica de las mareas y el movimiento de las olas. Cada una de las posibilidades se debe estudiar puesto que las limitaciones, inversión y problemas de implantación varían en cada una de ellas. Por la fuerza que ejerce las corrientes marinas a las turbinas tienen cambios bruscos por lo que los dispositivos se mantienen en constante funcionamiento, por esto se han creado varios métodos para utilizar las turbinas de un sistema mareomotriz, las dos más conocidas: La primera consiste en colocar las turbinas en eje horizontales, lo que les permite un movimiento paralelo a la dirección en la que avanza la corriente marina; en el segundo método las hélices o turbinas se colocan en un eje vertical, esta posición permite que los dispositivos se muevan perpendicularmente a la dirección en la que fluye el agua (López, Somolinos, & Núñez, n.d.).

Figura 3. Turbina de un sistema mareomotriz, colocada. En eje horizontal. Francia. (Hardisty, 2009).

30

2.3

Recursos de las mareas Las variaciones del nivel del mar son influenciadas mayormente por la fuerza

gravitacional del sol y la luna, y se dan dos veces al día, estos movimientos también son causados por la fuerza del viento y la rotación natural de la tierra. El movimiento de las aguas de ríos y mares no son métodos nuevos, estos sistemas se han aprovechado hace más de 200 años, con presas, molinos (Bastian, 2008).

Figura 4. Molino de agua de la edad media. Siglo XII – Bélgica. (WordPress).

2.4

Física de las mareas La marea es la variación de nivel del mar, pueden variar dependiendo de la zona

geográfica en la que se encuentra. Se puede diferenciar dos tipos de mareas: las mareas meteorológicas y las mareas astronómicas. Se denomina marea astronómica a los movimientos periódicos de ascenso y descenso de las aguas del mar, esto es producido por la influencia de los astros, puesto que la atracción que generan estos sumados la fuerza gravitatoria de este planeta, producen cambios físicos en el clima y el comportamiento del mar. Estas variaciones pueden incrementar de 2 a 15 metros. La denominada marea meteorológica es la que se produce por fenómenos meteorológicos, los cuales pueden estar presentes cerca o lejos del mar. Una de las principales variables es el viento, puesto que produce presión en la superficie lo cual

31

genera oleaje. Este fenómeno al chocar con las costas del continente incrementa el nivel del mar (Kitazawa & Zhang, 2016). 2.5

La influencia del sol y la luna La variación de nivel (ascenso y descenso periódico) de las aguas del mar, se llama

marea. Este comportamiento está influenciado por las fuerzas gravitatorias, del Sol y la Luna, ejercidos sobre la superficie, marina y terrestre, de la Tierra. La atracción de la gravedad de la Tierra y de los cuerpos celestes provocan movimientos de ascenso del mar, proceso llamado pleamar y los descensos son conocidos como bajamar. Estos cambios se producen, aproximadamente, cada 6 horas en horario lunar y 50 minutos en horario solar, por este motivo se debe calcular el cambio de marea, diariamente. Durante el año se pueden presentar los comportamientos de pleamar y bajamar, por tanto, es importante definir lo siguientes términos: 

Pleamar o marea alta: Se produce cuando el nivel del mar logra alcanzar su máxima elevación, dentro de los ciclos de la marea.



Bajamar o marea baja: Este es el nivel mínimo de la marea.



Hora de pleamar: Es el instante en el que se produce cuando se presenta la máxima elevación del mar.



Hora de bajamar: Es el instante en el que se presenta una disminución en la amplitud del nivel del mar, es decir el nivel más bajo.



Creciente: Se llama así al periodo comprendido entre la bajamar y la pleamar.



Vaciante: Se llama así al periodo comprendido entre la pleamar y la bajamar.

El comportamiento de las aguas marinas es diferente de acuerdo con las horas del día, durante el mañana, la fuerza gravitatoria del Sol atrae al océano, lo que genera la elevación del nivel del mar. Pero uno de los puntos críticos en los que la marea se destaca es cuando, en el día, coinciden la Luna y el Sol (Urquiza, n.d.).

32

Figura 5. Esquema de las mareas.

2.6

Corrientes y tormentas En las costas, alta mar y bahías, la fuerza del viento influyen considerablemente en

el movimiento de las partículas suspendidas en la superficie de las aguas del mar, por lo tanto, también se transportan los sedimentos que se encuentren en la extensión en océano, por lo que causa erosión en las rocas de las costas; la fuerza del viento hace que el agua fluya en la dirección en la que va el viento. Las corrientes que se derivan del litoral pueden producir olas que se dirigen a las costas de manera oblicua, generalmente formando ángulos inferiores a 10º. Cuando existen tormentas, la fuerza en la que empuja a la superficie del agua es brusca por lo que puede llegar a elevar el nivel del mar en las costas. La marea también se encuentra influenciado por la temperatura de las corrientes, estas pueden ser corrientes frías, estas disminuyen la temperatura del ambiente y disminuyen la concentración de vapor en la atmosfera creando un descenso de humedad, y las corrientes cálidas, que producen un efecto contrario a las corrientes de baja temperatura. Cuando las temperaturas chocan pueden crearse tormentas y por ende un aumento en el flujo y fricción entre el aire y la superficie oceánica (Mastache, Ivil, & Eomática, n.d.).

33

2.7

Característica de las playas Las playas se pueden caracterizar basándose en conceptos fundamentales: por los

sedimentos y la forma y dimensión de las partículas. De una manera más general mientras el tamaño de la grava sea mayor, la pendiente de la playa será más pronunciada, y opuesto a eso, cuando la arena sea más fina, la pendiente de la playa será menor. Existen dos zonas en las cuales se pueden representar como de alta y baja energía. Estas playas presentan gravas que tienen diámetros que oscilan entre 8 y 60 mm; también se demostró que una misma playa puede contener las dos zonas (energías altas y bajas). Las playas que contienen grava de alta energía tienen la particularidad de discriminar de mejor manera la sedimentología, empleando el tamaño de las partículas que se encuentran en el lugar. Las marean tienen un gran potencial energético, lo cual permite el transporte de sedimentos y medios de transporte como barcos, lanchas entre otros, además cuenta con la suficiente energía para activar a los sistemas que abastecerán de energía a la población, con la debida implementación de un sistema generador de energía, el cual no empleara combustibles fósiles, sino que son sistemas sostenibles. Por este motivo se debe conocer las características exactas de las costas en las que se instalaran los dispositivos, teniendo en cuenta la granulometría de las partículas, ventajas y limitaciones del lugar (T & Palacios, 2013). 2.8

El recurso Existe un estimado de 3000 GW de energía de las mareas disponible, según el

informe World Offshore Renewable Energy Report, emitido en reino unido. La cantidad de energía que se puede obtener de las mareas varía mucho, dependiendo del momento y la ubicación del recurso. Existen varios factores que influyen mucho al momento de aprovechar el recurso mareomotriz, uno de ellos es el cambio de rendimiento en el flujo y reflujo lo largo de cada día. Otro de los factores muy importantes es el ciclo primaveral en donde encontramos la marea muerta, debido a la naturaleza física de las mareas este factor llega a ser muy predecible tanto en el momento como en el volumen.

34

2.9

Energía de las olas Existe un ciclo básico del viento en las costas de los océanos. El viento que va de la

costa hacia el mar choca con el agua, transmitiendo energía y produce el oleaje, este está presente en las costas a lo largo de todo el mundo y han estado presente por años. Las olas poseen elevaciones las que se llaman crestas y depresiones denominados valles, los valles y crestas se propagan regularmente en líneas paralelas y determinan el ascenso y descenso de los botes y barcos. Existen términos que se atribuyen a las olas y sus efectos. A la distancia que separa dos crestas consecutivas se le denomina longitud de onda. La distancia que separa una cresta y un valle se le denomina altura de ola. Peralte se le denomina a la relación entre la altura y la longitud de ola. El lapso que separa dos crestas consecutivas delante de un punto fijo se llama periodo y la velocidad es la razón entre la longitud de onda y el periodo. El comportamiento de las olas puede ser descrita con el modelo de propagación electromagnética, debido a que teóricamente se les considera que tienen una forma suave y simétrica. Esto en la realidad cambia un poco puesto que el oleaje del mar presenta una gran diversidad en forma, intensidad y tamaño, para que el estudio se facilite se identifican dos tipos fundamentales de olas, las cuales son: olas libres y olas forzadas (Tema et al., 2014).

Figura 6. Características de las olas

35

La circulación de aire se da gracias a la diferencia de temperatura. En las regiones circundantes a Ecuador, es decir de latitud 0° son calentadas aún más por el sol que el resto del planeta. Al ser el aire caliente más ligero que el aire frio se produce una separación. El aire caliente se queda en latitudes bajas, mientras que el aire frio se eleva hasta alcanzar una altitud de 6 millas aproximadamente. Si no existiera rotación del globo terráqueo el aire se iría a los polos norte y sur, bajaría y volvería a Ecuador. Las olas libres o puras son el resultado de factores ajenas al viento. Se origina lejos del punto donde se manifiesta, cubriendo cantidades extensas del océano. Existen unas olas que poseen gran longitud, estas surgen gracias a los vientos y a depresiones atmosféricas, estas ocupan una sección reducida del mar. Las olas hacer ver a la superficie del océano perfectamente ordenado, existe una diferencia entre las olas libres, las cuales son raras y las olas forzadas que se forman en un lugar determinado por influencia del viento. Las olas libres se originan en sitios identificados de manera concreta, estas recorren la superficie del mar produciendo movimientos ondulatorios no periódicos. Un ejemplo claro de ello es el oleaje que se puede observar en la costa de Marruecos, esta se origina en las Islas Azores. Por acción de los vientos violentos y de gran duración se forman olas piramidales que sacuden el agua y existe propagación ondulatoria a grandes distancias con una velocidad considerable en forma de olas libres. Se genera una ola de 150 metros de longitud tarda hasta 30 horas de ir de la costa de Azores a Marruecos. Existe varios lugares en donde las olas libres alcanzan su máxima altura. Uno de ellos es el Océano Antártico, se produce olas de 30 metros de altura. En el Océano Atlántico se producen olas hasta de 20 metros. En el Océano Pacifico se producen olas menores a 20 metros. En el mar mediterráneo las olas no exceden los 8 metros, mientras que en el Océano Indico se producen olas con una altura de 2 metros. La longitud de las olas descritas es corta, esta resulta muy incómodo para los navegantes. El origen de las olas es diverso, pueden ser deslizamientos, perturbaciones sísmicas marinas, estas producen olas solitarias de pequeña altura, con una gran longitud de onda. En altamar las olas solitarias son inapreciables, pero debido a su velocidad considerable aproximadamente 80 kilómetros por hora, al impactar con el litoral invade la costa, provocando daños considerables. A ese fenómeno se lo denomina ola de marea o marejada alta.

36

Al llegar las olas de marea a la costa, se incrementa considerablemente la altura. Un ejemplo claro de ello es Hawái, aquí la altura máxima alcanzada es de 15 metros. En Chile y Perú se han llegado a formar olas de 40 metros. La ola más alta que se ha producido es de 70 metros en el Cabo Aopatka. El origen de los tsunamis no tiene ninguna relación con las tempestades y mareas, estos se producen en zonas específicas del océano, especialmente en el Océano pacífico, puesto que en esa región se presenta una mayor cantidad de terremotos marinos. Cuando en las profundidades del océano se origina un maremoto, como productor del temblor que sacude el fondo del océano, el agua de las costas se retira provisionalmente, para volver después en forma de una gran ola, a la cual se denomina tsunami. Las mareas sísmicas que se producen de manera eventual en el Océano Pacifico recorren distancias hasta llegar a aguas poco profundas, en las costas se originan olas de gran altura que producen grandes estragos. Un ejemplo de ello es el maremoto que azoto la regio del Pacifico, en las islas Oahu, esta isla está ubicada en Hawái, muchas personas presenciaron el fenómeno natural que se estaba llevando a cabo en la playa, todos los arrecifes habían quedado al descubierto, puesto que el mar se había alejado varios kilómetros de la costa, poco después se acercó una gran ola arrastrando casas y cobrando numerosas vidas de personas. A lo largo de la historia han ocurrido varios maremotos que han sido muy devastadores. Uno de los que más destacan es el maremoto de Lisboa, ocurrió en noviembre de 1755. Una ola de 12 metros arraso la orilla, causando más de 60000 víctimas, posterior a ello cuando el tsunami llego a las costas tenían una altura de 6 metros. Con relación a las olas forzadas, estas también producen cambios en la superficie del mar, dependiendo mucho de la acción de los vientos, pueden aumentar la altura de las olas en 30 centímetros por cada milla.

37

Tabla 1. Relación oleaje y velocidad del viento. Oleaje

Viento

Velocidad (m/seg)

Liso

Tranquilo

0-0.5

Rizado

Brisa leve

1.5-3.5

Suave

Brisa Suave

3.5-5.5

Leve

Brisa Moderada

5.5-8.0

Moderado

Brisa fresca

8.0-10.5

Fuerte

Ventarrón

12.0-20.0

Borrascoso

Tormenta

25.0-30.0

Borrascoso

Huracán

35.0 a +

Por las mañanas el mar presenta una superficie tersa, a esto se le llama mar calma, pero ante la presencia de brisa, en la superficie del mar se genera una fina rizadura formada por olas diminutas. El periodo de las olas es débil. Debido a que la velocidad del viento es mayor a la de las olas se puede disipar la energía creada. El viento al apretar, los risos creados se convierten en olas pequeñas, que tienen una longitud y altura aumentadas. En caso de que la velocidad del viento siga aumentada, la altura de la ola crece rápidamente hasta el límite que lo permite su longitud, entonces la ola se cubre de espuma antes de que caiga. Cuando el viento disminuye la agitación de la superficie del mar subsiste durante un tiempo, esa energía restante produce un oleaje que depende directamente de la velocidad del viento y la duración que tuvo el viento para generar el fenómeno. Las olas dependen del viento, pero este sopla en varias direcciones, pues se originan en diversos lugares. Estos originan las olas que pueden sumar energías al ser en una misma dirección o amortiguarse, produciendo turbulencia a la que se le denomina marejada.

38

Las olas que se presentan en los mares son muy diversas, por lo que es conveniente clasificarlas. Como lo hice Perey Douglas. Tabla 2. Clasificación de las olas. Mar número.

Denominación.

Altura de la ola en metros.

0

Calma

0

1

Rizada

0-0.1

2

Marejadilla

0.1-0.5

3

Marejada

0.5-1.25

4

Marejada fuerte

1.25-2.5

5

Mar gruesa

2.5-4.0

6

Mar muy gruesa

4.0-6.0

7

Arbolada

6.0-9.0

8

Montañosa

9.0-14.0

9

Enorme

Mayor que 14

Las olas no solo se mueven superficialmente, algunas de ellas vienen con un movimiento interno, donde las partículas de agua forman un circulo, por ello el transporte de energía afectan a capas más profundas del mar al igual que a la superficie. Existe algo denominado calado de ola, esto consiste en que, cuando la profundidad es menor que la distancia que existe entre dos crestas, el fondo va frenando a la ola desde abajo hacia arriba. En las siguientes olas la distancia entre crestas se va reduciendo, la cima de la ola comienza a avanzar a mayor velocidad que su base, formando una especie de capa verdosa con una gran cantidad de espuma llegando a la playa. Antes de que la ola choque con la superficie del mar se crea un rizo, el cual es un túnel de agua transparente que dura muy pocos segundos. El aire que existe dentro del rizo se comprime y luego se expande, dando como resultado un ruido estruendoso.

39

Figura 7. Energía producida por las olas y corrientes La energía de las olas es un gran potencial, puesto que logran un mejor rendimiento que la energía de las mareas. La energía de las olas es inmensa y puede ser explotada por muchas regiones. Los países que poseen líneas costeras de gran distancia pueden producir al cien por ciento de su electricidad gracias a las olas.

40

CAPITULO 3. DISEÑO DE LA CENTRAL MAREOMOTRIZ 3.1

Aspectos referentes a la construcción La construcción de una central mareomotriz, con todos las estructuras y dispositivos,

tienen cierto grado de complejidad por motivo de la presencia de las fuerzas del oleaje, la marea. Para minimizar costos, se debe diseñar para una zona en la que el sistema funcione eficientemente pero también tenga las condiciones físicas adecuadas para que la construcción se termine en un mínimo tiempo, lo que se traduce en reducción de los costos del proyecto. El diseño del sistema de una central mareomotriz en campo de la ingeniería civil debe tener estudios y ensayos de materiales exhaustivos, puesto que para que la estructura sea de óptima calidad se deben realizar diseños específicos de hormigón y emplear equipos y maquinaria especializados, para colocar las estructuras en la arena y orillas del mar; y de esta manera determinar los parámetros y diseños adecuados al proyecto. Un factor a consideración es que la composición del agua de mar puede afectar a la maquinaria y elementos de construcción, por lo que se deberá protegerlos de los componentes químicos del agua como los sulfatos (sales disueltas). Para la mezcla de concreto se deben emplear métodos especiales, pesto que, si el agua de mar llega a mezclarse con el hormigón, la salinidad y los demás componentes químicos del agua podrían reducir la resistencia en un 15% aproximadamente y producir la corrosión del acero, poniendo en riesgo el bienestar del proyecto. 3.2

Condiciones para la construcción de la represa Antes de empezar la construcción de la central, se deben tener en cuantos algunos

aspectos muy importantes, como son:  La construcción cuando haya marea alta, ya que es este punto el mar tiene menos movimientos bruscos.  Se debe construir cerca de un estuario, es decir la desembocadura de un rio al mar.  Estos lugares deben ser de fácil acceso para las maquinarias y personal que labore en la obra.  Se debe solicitar dotación de agua potable, esto se puede obtener del servicio de la ciudad, en caso de que no se pueda acceder se deberá abastecer de

41

tanqueros. El agua potable está exenta de impurezas, con lo cual se garantiza el diseño.  La velocidad mínima de la marea será de cuatro metros por segundo (4 m/s), este parámetro se debe tener en cuenta, ya que con esta velocidad las turbinas empiezan a girar.  El lugar en el que se construye el proyecto debe tener un caudal constante, y una amplitud mínima de cinco metros (5 m), este último parámetro se refiere a la diferencia de niveles de la marea (alta y baja). 3.3

Parámetros

Parámetros de la obra civil:  Se debe realizar el reconocimiento de la cuenca colectora, es decir el lugar en el que se colocara la central.  Se deben realizar estudios importantes, como: estudios hidrográficos, geológicos, topográficos, y algunas más.  Estudios de pre factibilidad, factibilidad y la presentación de los diseños definitivos.  Los diseños deben acercarse a las medidas mínimas, pero que se adapten sin problemas a las mareas altas y no sea sobredimensionado para mareas pequeñas.  Parámetros de los dispositivos:  Las turbinas que se emplearan cuentan con longitudes entre 13 y 18 metros, se deben tener en cuenta varias situaciones desfavorables para el mejor diseño.  Se colocarán multiplicadores de velocidad, estos van ubicados entre el alternador y el rodete; este dispositivo permite que las turbinas giren más rápido.  Para este sistema se hará uso de convertidores estáticos de frecuencia, lo cual permite que se desembrague automáticamente el alternador, esto ocurrirá cuando la velocidad supere el umbral que se ha fijado con anterioridad.

42

3.4

Estuarios Los estuarios no son más que cuerpos costeros de agua los mismo que se

encuentras cerrados de forma parcial, en estos puntos existe la unión del agua salada del mar con el agua dulce, de arroyos, ríos, océanos; es una zona de transición entre la tierra y el mar. Son muy reconocidos, puestos que en los estuarios desembocan los ríos que van hacia el océano. En los estuarios se crea una gran diversidad de flora y fauna excepcionales, estas formas de vida se han adaptado para subsistir al margen del mar. Aquí se encuentran grandes producciones, puesto que se genera más materia organiza cada año, que en muchos bosques o tierras agrícolas. Son influenciados por la fuerza de la marea, pero también se equilibra con el oleaje, el viento y las tormentas de las costas. Lo que caracteriza generalmente a un estuario:  La gran variedad de hábitats, y organismos que han evolucionado para poder sobrevivir en la mezcla de agua dulce y la salinidad de las aguas del mar.  Brindan un gran conjunto de beneficios, servicios y recursos.  En estos cuerpos se pueden realizar varias actividades, como: turismo, recreación y estudios científicos.  Entre las condiciones físicas se pueden mencionar: el pH, la alta turbidez, la corriente, temperatura.  Las condiciones químicas que se presentan son: oxígeno disuelto, residuos industriales, minerales, entre otros.  Las condiciones biológicas, son: la amplia presencia de fauna como plancton. A continuación, se menciona las características físicas del estuario:  El tamaño y la forma depende mucho del caudal que por el circule, la geología de la zona, los cambios de nivel de las mareas. Se conoce como estuario positivo o de cuña salina, al lugar en el que el agua dulce forma una capa que recorre por encima del agua salada del mar.

43

Figura 8. Estuario del rio Klamath, California 3.5

Consideraciones ambientales El desarrollo de los países trae consigo una evolución en sistemas de producción

para el beneficio de la humanidad, pero también acarrea problemas ambientales, los cuales ponen en peligro a las especies de flora y fauna que habiten las zonas afectadas. Los problemas ambientales que impactan a los estuarios son:  Sobrecarga de nutrientes: Para sostener un sistema acuático sano y estable se requiere de nutrientes como el fosforo y el nitrógeno, pero cuanto estos elementos se presentan en exceso, los animales que habitan era área se enferman y las mareas cambian de color, pueden ser entre marrón y rojo, también se empiezan a ver algas.  Agentes patógenos: Una de las causas por las que se cierran las playas y áreas de pesca es por los agentes patógenos, estos son causantes de enfermedades producidas por bacterias, parásitos y virus; estos ponen en peligro a los seres vivos que naden y consuman mariscos de las aguas afectadas.  Perdida y degradación de hábitats: Los problemas que se pueden presentar en un estuario, es la degradación de los ecosistemas, por este motivo se pierden hábitats, lo que, como efecto secundario, forma yerbas marinas lo que impide el buen funcionamiento de la estructura y el desarrollo natural del área afectada.  Introducción de especies: Existe un gran riesgo, el cual se lo realiza de manera voluntaria o involuntaria, en ingresar especies invasoras al ecosistema del estuario,

esto

genera

impactos

ecologismos,

44

sociales

y

económicos

inesperados; se disminuyen las poblaciones nativas de fauna y flora, lo que también produce degeneración del estuario.  Alteración al régimen natural del flujo.  Disminución en las poblaciones de peces y vida silvestre.

Figura 9. Estuario del Rio de la Plata. La introducción de una central mareomotriz en este ambiente reduce en un 50% a la máxima marea viva. Los cambios físicos que ocasiona una de estas estructuras al estuario se los puede identificar mediante los siguientes parámetros: 

Nutrientes



Turbidez



Corrientes posiblemente contaminantes.



La distribución de la salinidad.

Se debe tener en cuenta un factor muy importante para evitar una afectación negativa al estuario; no se debe obstaculizar la luz solar a las aguas del estuario, puesto que, si llegase a ocurrir la vida natural de este, se encontraría en peligro.

45

Figura 10. Estuario del Rio de Oro.

3.6

Aspectos económicos Los costos de construcción y diseño son los más elevados del proyecto, el tiempo

que se estima para entregar terminada la obra está en función de la marea y el clima que se presente en el periodo de construcción. Los materiales y equipos especializados empleados en este sistema tienen un alto costo, teniendo en cuenta la magnitud de la infraestructura, y que se debe llevar a cabo cuando la marea sea alta, implica que se generen gastos de estudios hidrológicos y demás. El tiempo estimado en el que se presenta la obra terminaba varía entre 5 y 10 años, teniendo en cuenta todas las complicaciones que se pueden presentar, los aspectos más desfavorables, para que el equipo esté preparado para cualquier incidente. Pero estos pueden ser equilibrados con la generación de recursos del sistema mareomotriz en funcionamiento, el cual no emplea mayor mantenimiento ni costos de operación, ya que es un sistema sostenible. 3.7

Ciclos de funcionamiento de las centrales mareomotrices La explotación de energía para un sistema mareomotriz radica en encerrar un

estuario con la construcción de un dique, para que por medio de este sistema se crea diferencias de nivel en ambos lados, lo cual producirá energía potencial acumulada. Como se ha mencionado, la energía se la obtiene por medio del movimiento de las turbinas instaladas bajo el mar, estas se mueven según se acople a las mareas del mar,

46

y posee un sistema revertido que aprovecha el movimiento de las mareas en cualquier dirección. Se citarán algunas de las varias ventajas de contar con un sistema mareomotriz:  No es contaminante.  Es un sistema autorrenovable.  Silencioso.  Los costos son muy reducidos, bajo costo de la materia prima.  Se lo utiliza en cualquier época del año. 3.8

Ciclo de simple efecto Cuenta con un único embalse, este posee en su estructura unas compuertas y

turbinas no reversibles. A continuación, se presenta el procedimiento que sigue este ciclo de funcionamiento: 1) Cuando las mareas se hayan elevado, las compuertas del dique se abren, permitiendo el paso del agua hacia el embalse hasta que se llene. 2) En el momento en el que la marea baja, las compuertas se proceden a cerrar, deteniendo el agua en el embalse. Se detiene así por un tiempo. 3) Tres horas posteriores al cierre de las compuertas, se empieza a alcanzar el nivel adecuado entre el mar y el embalse. 4) En un rango de 5 y 6 horas, empieza el vaciado del embalse, haciendo pasar el agua por las turbinas y de esta manera se genera la anergia eléctrica.

Figura 11. Demostración del proceso del ciclo simple efecto. (Shin Hayashi, 2017).

47

Figura 12. Demostración del proceso del ciclo simple efecto. (Shin Hayashi, 2017). 3.9

Ciclo de doble efecto con turbinas reversibles Se emplean ambas mareas, alta mar y bajamar, un embalse y turbinas reversibles.

Para este proceso se debe contar con turbinas que operen con cierto caudal y en diferentes direcciones. Esto quiere decir que se aprovechara la energía cuando el embalse se encuentre en proceso de llenado y vaciado. Cabe mencionar que este ciclo tiene un reducido rendimiento a diferencia del ciclo simple, puesto que, al emplear a los niveles normales del agua, sin la presión del llenado se disminuye la capacidad de obtener energía utilizable, a no ser que se emplee optimizadores para las turbinas, lo cual lo mejorara en un 18%. Este ciclo tiene un tiempo de funcionamiento entre 6 y 7 horas por la marea, lo cual se extiende de 12 a 14 horas de generación de energía. Tomando en cuenta que la energía que recibe la central mediante las mareas oscila entre 2 y 3 horas.

48

Figura 13. Demostración del proceso del ciclo doble efecto (Shin Hayashi, 2017).

Figura 14. Demostración del proceso del ciclo doble efecto. (Shin Hayashi, 2017)

49

3.10 Ciclo de acumulación por bombeo En este ciclo se emplean ambas mareas, y posee almacenamiento por bombeo, esto implica que las turbinas no solo tendrán su función habitual, sino que además deberán trabajar como bombas, dependiente del estado en el que se encuentre el sistema, el alternador es el encargado de accionar la funcionalidad del sistema de bombeoturbinaje. Este proceso genera un 10% más, por lo cual es el ciclo más rentable. Este permite aumentar la generación de electricidad; las bombas pueden impulsar el nivel del mar cuando se encuentre en pleamar en un rango entre 1 y 2 metros por encima. Cuando se active el turbinaje directo, este lo transforma en más de 6 metros de energía.

Figura 15. Demostración del proceso del ciclo de acumulación por bombeo. (Shin Hayashi, 2017). 3.11 Unidades turbogeneradoras Para el uso de estas unidades se emplean turbinas convencionales de eje vertical o una llamada tipo Kaplan. Estos son puestos móviles, que permiten tomar el ángulo que más convenga al proyecto. Las turbias que funcionan en estas unidades son de flujo axial, es decir que emplean saltos de poca profundidad, pero a pesar de esto el sistema tiene mayor eficiencia.

50

3.11.1 Unidades tipo bulbo Con el desarrollo de nuevos trabajos de investigación se han desarrollado a lo largo de la historia algunos grupos tipo bulbo, estos tienen la característica de trabajar con grandes caudales. Las primeras unidades bulbo que funcionaron son las del año 1993, dichas turbinas fueron usadas en el rio Persante. Existe algunas ventajas el uso de flujo axial:  Aumento del caudal especifico y de potencia especifica.  Disminución de pérdidas lo que implica un mayor rendimiento de la turbina.  Mejora del fenómeno de cavitación, puesto que las condiciones de flujo aumentan la velocidad de rotación.  Reduce los costos de obra civil debido a la reducción de volumen de la obra. 3.11.2 Los pequeños y Bulbos medios Este tipo de bulbos son muy usados en mini centrales hidráulicas, ya que pueden aprovechar pequeños saltos con caudales extremadamente pequeños. Existen tres tipos en función de las condiciones locales, estos son: 

Grupos en sifón



En cámara de agua.



En conducto

3.11.3 Grupos en sifón Son usadas en lugares donde se tiene saltos de 1.5 a 3 metros con caudales en el orden de 𝑚3 /𝑠 . El rango de potencias están en el orden 50 y 300 kW. En la siguiente figura se muestra el grupo sifón con aspirador a la salida y alternador sumergido en el exterior del sifón.

51

Figura 16. Grupo sifón- aspirador. (Ortiz, 2011). 3.11.4 Grupos en cámara abierta Son usados en lugares donde se presentan caudales de 10 a 15 𝑚3 /𝑠, en algunos casos puede llegar hasta 28 𝑚3 /𝑠. En este tipo de turbina el bulbo se encuentra sumergido en el agua, de forma que el agua llega directamente al distribuidor y al rodete. En la siguiente figura se puede observar la turbina bulbo con cámara abierta instalada en un dique.

Figura 17. Turbina bulbo moderno con cámara abierta, instalada en dique. (Ortiz, 2011).

52

3.11.5 Diseño de los grupos bulbo. La principal característica de los grupos bulbo es que pueden aumentar su potencia específica, gracias al aumento de la velocidad especifica. Las pruebas que realizan a este tipo de turbinas demuestran que las pérdidas de carga más importantes se dan en la entrada como en la salida del grupo. A diferencia de las turbinas Kaplan, las turbinas Bulbo poseen conductos hidráulicos menos complicados, llegando a tener pérdidas insignificantes, debido a que con los grupos Bulbo se puede alcanzar mayores potencias específicas para un salto hidráulico especifico. 3.11.6 Tubo de aspiración Es una parte muy importante del grupo, puesto que logra que la energía cinética a la salida de la rueda alcanza un valor próximo a la energía total del salto. En la siguiente figura se observa una comparación de las pérdidas que existen entre los grupos Kaplan y Bulbo.

Figura 18. Pérdida de carga en el tubo de aspiración de turbinas Bulbo y Kaplan. (Ortiz, 2011). Angulo α del eje de la turbina con el eje del tubo de aspiración: Grupo Bulbo: Aspirador troncocónico ∝0 = 50 . Grupo Kaplan: Aspirador acotado de eje vertical. Caudal grupo Bulbo: 𝑄

𝑄11 = 𝐷2

√𝐻

= 2,77 𝑚3 /𝑠𝑒𝑔

(1)

53

Caudal Kaplan: 𝑄

𝑄11 = 𝐷2

√𝐻

= 1,68 𝑚3 /𝑠𝑒𝑔

(2)

Curvas: (1) Pérdida total en el aspirador (2) Perdidas por rozamiento para ∆ℎ = 𝑘𝑐 2 Zonas: (3) Perdidas por desprendimiento de la pared. (4) Perdidas por recirculación. Se observa que las perdidas tienden a ser mayores para valores superiores al ángulo optimo que para valores inferiores. 3.12 Conductos Si comparamos las pérdidas de carga en los conductos de los grupos tipo Kaplan y Bulbo son similares, pero las dimensiones de los conductos de los distribuidores de los tipos Bulbo y Kaplan son distintos, el distribuidor del grupo Bulbo es más pequeño que las del tipo Kaplan. Una limitación en las dimensiones de los conductos aguas arriba permite disminuir el ancho del dique y así poder ubicar el conjunto entre paredes planas, paralelas y verticales. Esto permite obtener optimización en la potencia para una anchura de central dada. Estas características limitan el diseño del estator de alternador ya que debe ser inferior que el diámetro del rodete y por lo tanto el diámetro del Bulbo debe ser de menor dimensión, esta limitante condiciona el futuro desarrollo de estas máquinas, puesto que se debe construir alternadores de diámetro reducido. Esta es un aspecto muy importante para el grupo tipo Bulbo, pues es necesario para que la turbina funcione en los dos sentidos. Para los grupos Bulbo con un solo apoyo aguas arriba existe una relación entre los diámetros de entrada y el rodete, estas relaciones están en el orden de 0.8 a 0.9. Si en alguna ocasión se tiene un grupo con el rango de 7 a 8 m de diámetro, la relación aumenta en 1.2 y 1.3 para que la construcción y montaje se faciliten.

54

3.13 Cavitación La alimentación de los grupos tipos Bulbo son de saltos variables, en estas condiciones se produce un fenómeno al que se le denomina cavitación. Debido a que la cavitación daña a los elementos es necesario adoptar un diseño que garantice la maquina contra el efecto de cavitación. Una vez analizados los datos de cavitación se puede realizar el trazo de las palas. 3.14 Disposición de la central en AutoCAD La central consta de varios dispositivos los cuales están dispuestos de la siguiente manera: El grupo turbina-generador incluyendo la caja de engranajes y el conversor AC/DC, están dispuestos en una plataforma flotante en el mar, la conexión desde el convertidor hasta el inversor se lo hace mediante una línea DC que va juntamente con un puente flotante y llega hasta la estación terrestre en donde estará el inversor y demás instrumental para acondicionar la señal. Para la representación de la central de forma gráfica se usa el software AutoCAD. Para ver a detalle observe el anexo D. CAPITULO 4. ENERGIA MAREOMOTRIZ EN LAS ISLAS GALAPAGOS En primera instancia se procede a determinar las características del recurso energético del archipiélago de Galápagos, específicamente en las islas Santa Cruz. A continuación, se establece la demanda eléctrica, para ello se toma en cuenta las características particulares de la zona de estudio, debido a que es un archipiélago toda la energía eléctrica que se genera proviene de varias fuentes, pero no están conectados al sistema nacional interconectado SNI. Posteriormente se presenta las características del diseño a detalle, así como los parámetros necesarios para representar las componentes reales en el modelo computacional. Este permite mostrar de alguna forma el funcionamiento aproximado del sistema diseñado implementado sus respectivos controles. El propósito de realizar un modelo computacional que describa el funcionamiento del diseño propuesto es comprobar el correcto funcionamiento de este con los respectivos controles implementados, es decir se comprueba que las revoluciones del eje se mantengan en su punto óptimo para la generación de energía eléctrica.

55

Un aspecto muy importante que nos proporciona el modelo computacional son valores de eficiencia para los diversos elementos que se usan en el sistema ante diferentes posibles escenarios. Una vez que se obtiene determinado el sistema del generador, se continua con el diseño de la central 4.1

Recurso mareomotriz en el Archipiélago de Galápagos. El archipiélago de galápagos o también conocido como archipiélago de Colon consta

de un grupo de islas que están situadas a 972 km al oeste de las costas de Ecuador a 01°40’ N 01°36' S; 089°16' y 092°01’W. Están atravesadas por la línea equinoccial o ecuatorial. El archipiélago tiene una superficie total de 8.010 𝑘𝑚2, posee un mar interior de 45.666 𝑘𝑚2 y territorio insular acuático de 817 𝑘𝑚2. La distancia existente entre la isla Darwin situada al norte y la isla española situada al sur es de 223 millas. Entre las islas de la punta Pitt y cabo Douglas existe una distancia es de 144.7 millas. Existen 5 islas principales, las cuales superan los 500 𝑘𝑚2. Las cuales son:  Isla Isabela  Isla Fernandina  Isla Santa Cruz  Isla San Cristóbal  Isla San Salvador Además, posee 8 islas que poseen entre 12 y 173 𝑘𝑚2,  Isla Rábida  Isla Wolf  Isla Baltra  Isla Genovesa  Isla Española  Isla Baltra  Isla Pinta  Isla Pinzón  Isla Santa fe

56

6 entre 1 y 5 𝑘𝑚2  Isla Darwin  Isla Bartolomé  Isla Tortuga 42 islotes que tiene menos de 1 𝑘𝑚2. 4.2

Características de las corrientes y mareas. La marea que se presenta en las Islas Galápagos es semidiurna, se registran

pleamares y bajamares que se aprecian aún más en los meses de abril a diciembre. A lo largo del año existen vientos que predominan desde el sureste, estos vientos son más o menos constantes, con una velocidad de 8,4 nudos a excepción de los meses desde febrero a mayo, en los cuales la velocidad del viento es de 5.8 nudos. Lo cual dificulta la navegación a vela. En Galápagos existe un punto de convergencia ya que por ella pasan diversas corrientes del Pacifico, las cuales tienen las siguientes características: Corrientes que influencian a las Islas Galápagos.  La corriente ecuatorial, conforme se acerca a Centroamérica se divide en dos ramales, uno con dirección al norte y otro con dirección al sur alrededor del Domo de Costa Rica.  La corriente sur ecuatorial, tiene dirección hacia el oeste.  La corriente de Humboldt fluye de sur a norte. Bordea Sudamérica hasta los 6°Sur, se divide en dos ramales, el primero con dirección hacia el oeste y otro costero con dirección hacia el norte.  La corriente de Cromwell que tiene dirección Este, entre los 2°Norte y 2°Sur. Esta corriente aparece desde 30 metros de profundidad hasta 300m. 4.2.1

Bahía del Naufragio.

Es la bahía principal, está ubicada en la isla San Cristóbal. Aquí parten y llegan varios buques. La información hidrográfica disponible acerca de la bahía proviene de los levantamientos batimétricos realizados en los años 2008 y 2007 por el INOCAR. La ruta de acceso a la rada dirige hacia un canal navegable desde el veril de 50 metros hasta el veril de 20 metros, el gradiente que se forma es de 9.5 % aproximadamente. Desde el veril de los 20 hasta el veril de los 5 metros, el gradiente

57

que se forma es de 1.2% aproximadamente. El gradiente descrito corresponde al cambio de profundidad en el eje central del canal. El veril de 5 metros se encuentra en paralelo a la costa, que posee una distancia promedio de 140 metros, siendo esta la distancia más corta hacia la Punta Predial, la cual es de 30 metros. La distancia más alejada es de 400 metros y es hacia el lado oeste de la Punta Malamoco. La profundidad existente en los mueles para la carga de pasajeros es de un veril de dos metros. Al ser una isla de origen volcánico, en la profundidad de la bahía está constituida por roca basáltica, pero existen pequeños tramos en donde existen arenas orgánicas a los cuales también se los llama sedimentos biógenos. Estos están formados de pequeños restos de organismos marinos, especialmente de conchas. 4.2.1.1 Características de los vientos Los vientos de enero hasta mayo son fuertes, generalmente tienen una fuerza de 0.2 a 0.7 m/s con dirección este-sureste. En los meses de junio a diciembre los vientos tienen una fuerza de 3.2 hasta 7 m/s, mientras que los máximos vientos y ráfagas alcanzan 13 m/s. 4.2.1.2 Características de las Corrientes En la temporada seca que es desde Julio hasta noviembre, existe presencia de corrientes con una fuerza que va desde 0.31 m/s hasta 0.81 m/s con dirección oestesuroeste. En la época húmeda que es de diciembre a junio, existen corrientes con una fuerza que van desde 0.54 m/s hasta 1.01 m/s con dirección oeste-suroeste. 4.2.1.3 Características de las olas En los meses de Julio a noviembre la dirección de las olas es hacia el sureste, las alturas oscilan entre los 20 cm y 176 cm, con un promedio de 60 cm. El periodo existente esta entre 9 hasta 23 segundos, con un promedio de 15 segundos. En los meses de diciembre a junio se presenta una altura promedio de 1.66 m con un periodo comprendido entre 7 y 16 segundos. 4.2.2

Bahía Academia

El veril que posee de 10m, tiene una gradiente de 1.4%. El gradiente que existe entre la punta estrada y el interior de la bahía es de 5%. En el fondo es muy irregular, ya que está compuesta por algunas rocas, además de arenas orgánicas.

58

En las profundidades de bahía Academia son regulares, un veril de 5m se encuentra a 0.32 millas de la costa. Con excepción de la parte noreste de la Punta estrada y la punta interior, en las cuales el viril de 10m se encuentra a 100 metros, siguiendo por el contorno hasta el veril de los 5m, se ubica a 0.37 millas. 4.2.2.1 Características de los vientos Desde enero hasta mayo existen vientos fuertes, generalmente tienen una fuerza de 4.0 a 5.5 m/s en dirección este-sureste. En los meses de junio a diciembre los vientos tienen una fuerza de 5.4 hasta 7.9 m/s en dirección sureste. 4.2.2.2 Características de las corrientes En la temporada seca que es desde Julio hasta noviembre, existe presencia de corrientes con una fuerza que va desde 0.1 m/s hasta 0.2 m/s con dirección oestesuroeste. En la época húmeda que es de diciembre a junio, existen corrientes con una fuerza que van desde 0.21 m/s hasta 0.3 m/s con dirección sur-sureste. 4.2.2.3 Características de las olas En los meses de Julio a noviembre la dirección de las olas es hacia el sureste, las alturas oscilan entre los 0.20 y 1.5 m. El periodo existente esta entre 5 hasta 14 segundos. En los meses de diciembre a junio se presenta una altura promedio de 0.7 m con un periodo comprendido entre 7 y 18 segundos. 4.2.3

Isla Baltra

Está localizada en la Isla Santa Cruz al norte, posee una superficie de 26.8 𝑘𝑚2 aproximadamente, su longitud es de 8.3 km, posee un ancho máximo de 5.5 km. Esta isla es de origen volcánico, es plana además la topografía es baja. La flora existente en la isla es escasa, se puede encontrar principalmente cactus entre otras especies de arbustos. No tiene fuentes naturales de agua dulce. Por las características descritas anteriormente hacen que la isla sea candidata para la construcción de un aeropuerto comercial, puesto que su localización es muy favorable. 4.2.3.1 Características de los vientos. Desde enero hasta mayo existen vientos fuertes, generalmente tienen una fuerza de 5.7 a 8.5 m/s en dirección este-sureste. En los meses de junio a diciembre los vientos tienen una fuerza de 6.4 hasta 7.1 m/s en dirección este y sureste.

59

4.2.3.2 Características de las corrientes. En la temporada seca que es desde Julio hasta noviembre, existe presencia de corrientes con una fuerza que va desde 0 m/s hasta 0.12 m/s con dirección oestesuroeste. En la época húmeda que es de diciembre a junio, existen corrientes con una fuerza que van desde 0.12 m/s hasta 0.17 m/s con dirección oeste-noroeste. 4.2.3.3 Características de las olas. En los meses de Julio a noviembre la dirección de las olas es hacia el suroeste, las alturas oscilan entre los 0.21 y 150 cm. El periodo existente esta entre 5 hasta 14 segundos. En los meses de diciembre a junio se presenta una altura promedio de 0.35 m con un periodo comprendido entre 5 y 14 segundos con dirección noroeste. 4.2.4

Puerto Villamil.

Este situado en el borde sureste de la Isla Isabela, entre la punta Lobería y Cabo de Rosa. Es una parada muy popular ya que los barcos privados que se dirigen hacia la isla Marquesa hacen parada en puerto Villamil. Posee un terreno bajo, pero conforme se va adentrado, el terreno va tomando altura hasta llegar al cerro Sierra Negra. La vegetación que posee es bastante pobre, pero en la parte superior desde 200m en adelante es toda verdosa. Al sureste existen varios islotes e islas pequeñas, como el Faro Isabela, este sirve para recalar al Puerto, sin embargo, es un lugar peligroso puesto que los vientos y las olas hacen peligrar a las embarcaciones, especialmente en los meses de junio a diciembre. 4.2.4.1 Características de los vientos. Desde enero hasta mayo existen vientos fuertes, generalmente tienen una fuerza de 0.0 a 7.0 m/s en dirección este-sureste. En los meses de junio a diciembre los vientos tienen una fuerza de 6.4 hasta 7.1 m/s en dirección este y sureste. 4.2.4.2 Características de las corrientes. En la temporada seca que es desde Julio hasta noviembre, existe presencia de corrientes con una fuerza de 0.36 m/s con dirección este-sureste. En la época de marea de reflujo la dirección es al Noroeste. 4.2.4.3 Características de las olas. En los meses de enero a junio la dirección de las olas es hacia el suroeste, las alturas oscilan entre los 0.03 y 1.08 m, con un promedio de 0.20m. El periodo existente esta

60

entre 5 hasta 14 segundos. En los meses de diciembre a junio se presenta una altura promedio de 0.35 m con un periodo comprendido entre 5 y 14 segundos con dirección noroeste. A continuación, se muestra un cuadro comparativo de las características de las corrientes de los sitios analizados en las islas Galápagos.

Tabla 3. Características de las corrientes islas Galápagos. Lugar

Velocidad mínima de

Velocidad máxima de

las mareas.

las mareas.

Bahía del naufragio

0.3 m/s

1.1 m/s

Bahía Academia

0.1 m/s

0.3 m/s

0 m/s

0.17 m/s

0.36 m/s

0.36 m/s

Isla Baltra Puerto Villamil

4.3

Análisis de sitios factibles para el aprovechamiento de energía mareomotriz. Puesto que la factibilidad de implementar energía mareomotriz en las islas galápagos

no es conveniente, debido a que la velocidad de las corrientes es demasiado baja, además que la altura entre marea alta y marea baja es de 4.27m, cuando lo requerido es de 5 metros mínimo y con la instalación 5.6 metros.

61

Tabla 4. Formas de energía. Características presentes en Ecuador. Energía

Requisitos mínimos

Parámetros existentes en Galápagos.

Mareomotriz

Undimotriz

Eólica marina

Corrientes marinas

Diferencia entre mara alta y

Diferencia entre mara alta y baja

baja es de 5 metros

es de 4.27 metros

Altura significativa de onda-

Altura significativa de onda-

Periodo de repetición

Periodo de repetición

5m - 8 segundos

2.14m – 13 segundos

Velocidad de del viento

Velocidad de del viento

25 km/h

13 km/h

Velocidad de corriente

Velocidad de corriente

1 m/s

1.5 m/s

La fuente más significativa para las islas Galápagos y posiblemente explotable es la corriente de Cromwell, el eje principal del movimiento esta sobre la línea ecuatorial, Esta corriente tiene características muy especiales, puesto que es una corriente muy estrecha circulando a 2° tanto al norte y sur de la línea ecuatorial. Aparece a 20 m de profundidad y desaparece a 250m, la máxima potencia y velocidad de la corriente aparece a los 100m de la superficie. Esta corriente cumple una función muy importante para las islas Galápagos pues tiene la función de refrescar las masas de agua, así como los nutrientes. Estas circulan en dirección oeste del Pacifico. La corriente de Cromwell es una de las más rápidas del mundo, con una velocidad promedio de 1.5 m/s durante todo el año. 4.3.1

Sitios potenciales para la implementación de energía mareomotriz.

Para la determinar los sitios tentativamente potenciales para la obtención de energía eléctrica, se toma en cuenta las zonas que poseen las mayores velocidades. Algunos lugares son los canales de Posorja y Puna, el estero salado, en la provincia del Oro y el Guayas; poseen registros de 3 hasta 4 m/s. En la costa, en la zona del puerto se registran velocidades promedio de 1m/s y superan los 2 m/s.

62

Los sitios que evidencian velocidades de 1m/s deben ser estudiados con el fin de comprobar que alcancen las velocidades máximas requeridas, es decir de 2.5 a 3 m/s. Existen registros con velocidades bastante interesantes como Posorja y Puna, también deben ser estudiados ya que las velocidades máximas permitidas para las turbinas son de 3m/s. En tres horas de mediciones se presentan velocidades de 1 a 4 m/s durante 10 y 5 minutos esporádicamente, y 50 minutos consecutivos. Otros rangos registrados son de 0.5-1m/s en 3 minutos seguidos. En la siguiente figura se muestra un mapa de los sitios potenciales para la generación mareomotriz. Tiene una simbología de colores, cada color indica las velocidades de las mareas localizadas en cada sector. Los puntos más pronunciados, es decir con una dimensión mayor son los lugares que son considerados potenciales para la generación mareomotriz, en ellos existen velocidad promedio de 1m/s, y velocidades máximas de 2m/s a 4m/s. Los puntos menos pronunciados, es decir con una dimensión menor refiere a profundidades bajas y estrechos canales de navegación.(Barbarelli et al., 2018)

63

Figura 19. Lugares potenciales para la generación de energía mareomotriz.

64

4.4

Diseño de la turbina Existen varios tipos de turbinas disponibles comercialmente, las que se diseñan

para aprovechar la energía de las corrientes marinas. Básicamente convierten la energía cinética que posee el agua, en energía eléctrica. El principio de funcionamiento es el volumen del fluido llega al rotor de la turbina la cual viene descrita por la ecuación: 𝑉 =𝐴∗𝑈∗𝑡

(3)

Donde: V es el volumen (𝑚3 ). A es el área batido por el rotor de la turbina (𝑚2 ). U velocidad de la corriente (m/s). T tiempo (s) La energía cinética que aporta el fluido ya sea agua o aire al rotor es: 1 2

𝐸𝑐 = ∗ 𝑝 ∗ 𝐴 ∗ 𝑈 ∗ 𝑡 ∗ 𝑈 2 1

𝐸𝑐 = 2 ∗ 𝑝 ∗ 𝐴 ∗ 𝑡 ∗ 𝑈 3

(4) (5)

La energía aportada al rotor es: 1 2

𝐸𝑐 = 𝑝 ∗ 𝐴 ∗ 𝑈 3

(6)

La potencia instantánea que aporta un fluido a la entrada de una turbina submarina es descrita por la siguiente ecuación: 𝑃 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐴

1

𝑊𝑎𝑡𝑡 ) 𝑚2

= 2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑈3(

Donde: P es la densidad del agua de mar kg/𝑚3 , 1000 kg/𝑚3 para agua dulce, 1025 kg/𝑚3 para agua de mar. A es el área barrida por el rotor de la turbina, 𝜋𝑟 2 (𝑚2 ) r es el radio de las palas del generador (m) U es la velocidad de la corriente (m/s)

65

(7)

La densidad de potencia instantánea depende del cubo de la velocidad, ya que es directamente proporcional. Uno de los factores determinantes es la magnitud de la velocidad de las corrientes. Esta velocidad U varia con el tiempo, pero puede ser predecible, ya que depende de la profundidad y posicionamiento en el canal. Debido a que la velocidad es directamente proporcional a la potencia, al incrementarse

la

velocidad

de

la

corriente,

la

potencia

se

incremente

considerablemente. Una vez determinado el recurso energético disponible en las islas galápagos, así como la demanda del caso de estudio, se procede a dimensionar el generador. Se comienza por la turbina. Es necesario tomar en cuenta que la demanda del escenario escogido, en este caso bahía del naufragio es de 5.000 Wh con una densidad promedio de un ciclo de 1.100 W/𝑚2 . Se necesita conocer las eficiencias de cada grupo a usar, los cuales se muestran en la siguiente tabla.

66

Tabla 5. Eficiencias componentes de central mareomotriz. Eficiencia

Valor

Descripción

Turbina

45%

Es la eficiencia de la turbina al aprovechar la energía cinética del flujo de entrada. La eficiencia máxima a la que puede llegar la turbina es del 59%, esto ocurre cuando la velocidad de flujo en la cara del rotor se reduce a 1/3 de la velocidad de la corriente.

Transmisión

96%

Eficiencia con la que la energía extraída del flujo es suministrada al generador.

Generador

95%

Eficiencia con la que la entrada del generador

aprovecha

la

energía

mecánica para transformarla en energía eléctrica. Acondicionamiento de

98%

potencia

Eficiencia con la que electricidad a la salida del generador es acondicionada para cumplir parámetros de fase, voltaje y puntos de interconexión.

Rectificador

74%

Eficiencia con la que se rectifica la energía eléctrica producida por el generador.

Línea DC

74%

Eficiencia con la que la energía se transmite en DC hasta el inversor.

67

Con las eficiencias determinadas se procede a calcular la potencia promedio que se presenta en el eje del rotor. Para calcular el área barrida por la turbina del mareo generador se aplica la siguiente ecuación. 𝑃𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝐶𝑃

8445.9

= 0.45∗1100 = 17.06 𝑚2

(8)

Luego se procede a calcular el radio de la turbina, la cual está determinada por la siguiente ecuación. 𝐴 = 𝜋 ∗ 𝑅2

(9)

𝐴 𝑅=√ 𝜋 17.06 𝑅=√ 𝜋 𝑅 = 2.33 𝑚

A continuación, se grafica la curva de potencia para la turbina calculada anteriormente, para ello se hace uso de las velocidades de corriente mareomotriz. Se usa el coeficiente de potencia máximo que corresponde a 0.48, esto se obtiene de la curva característica de la turbina. Se observa que, para corrientes bajas, aproximadamente 0.1m/s comienza a existir producción de energía eléctrica, llegando hasta un máximo de 1m/s con una potencia de 4.19 KW. Cabe notar que la producción de electricidad de la turbina es bastante baja, esto ocurre debido a que la velocidad de corriente de mareas es muy baja. Esto representaría la necesidad de más turbinas para abastecer la demanda del sitio de estudio, además de ser una turbina que requiere trabajar con velocidades muy bajas es necesario una turbina especial, debido a que las turbinas comerciales operan a partir de los 0.5m/s hacia adelante.

68

Figura 20. Curva de potencia, turbina seleccionada. ( Matlab Simulink) 4.5

Diseño de transmisión mecánica La transmisión mecánica tiene como objetivo aumentar la velocidad de giro ante

bajos valores de corrientes, con la finalidad de que la velocidad de giro sea mayor, puesto que a que la eficiencia del generador a velocidades mayores aumenta. El objetivo es entregar hasta 500rpm al generador. Es posible que la transmisión mecánica se omita, al usar generadores de imanes permanentes con muchos polos, al poseer un numero de polos mayor el generador puede producir electricidad a velocidades muy bajas, más o menos menores a 100rpm sin necesidad de una transmisión mecánica presente. Y por lo tanto aumentaría la eficiencia del sistema. 4.6

Diseño del sistema eléctrico El objetivo principal del sistema eléctrico es tener la capacidad de manejar la potencia

generada a partir de las mareas para que dicha energía llegue a la demanda de una forma óptima. A continuación, se determinarán los parámetros más importantes para los

69

componentes del sistema eléctrico mareomotriz. Cada componente es elegido de acuerdo a las necesidades técnicas de diseño. 4.6.1

Generador

El generador es capaz de recibir la potencia mecánica a través de su eje

para

transformarla en energía eléctrica de la forma más eficiente posible. Cuando se diseñó la turbina se determinó que la potencia máxima capaz de transmitir la turbina al generador es 4.19 kW. Asumiendo que la eficiencia de la transmisión mecánica es del 80%, la potencia que se tendrá a la entrada del generador Pmax=3.35kW. La velocidad angular que recibe el eje del rotor alcanza los 500rpm ante la máxima velocidad de flujo de las mareas. El generador que cumple con las características descritas es el generador de imanes permanentes 500STK3M, este alcanza una eficiencia máxima de 93% y se llega a mantener sobre el 80%, con velocidades encima de 150rpm. 4.6.2

Convertidor AC/DC

El convertidor AC/DC consta de 6 IGBT con sus respectivos diodos. La operación de los interruptores IGBT están dadas por la corriente de línea y por el voltaje DC. Es por lo que se debe determinar las condiciones máximas de operación. La corriente máxima es de 100A y el voltaje máximo es de 700V. El equipo que se ajusta a los parámetros requeridos es el 6MBil50U4B-120-50, este es un integrado que posee 6 interruptores IGBT con sus diodos en anti paralelo. Cada interruptor posee un potencial de bloqueo de 1200V y puede llegar a conducir hasta 150A en el colector. Además, posee un capacitor de 1mF en el lado de CC para estabilizar el voltaje de transmisión DC. 4.6.3

Línea DC

Son las encargadas de llevar la energía eléctrica generada hasta la carga por medio del inversor. Existe una línea que conecta el convertidor AC/DC al inversor, esta línea debe soportar una potencia máxima, teniendo en cuenta que debe tener una eficiencia aceptable. La potencia máxima DC es de 18kW a 600V. La longitud por transportarse es de 500 metros. El cable AWG6 tiene un diámetro de 4.1mm y soporta una capacidad de corriente de 38A.

70

4.6.4

Inversor monofásico.

El inversor es de puente completo monofásico, este debe tener la capacidad de suplir la demanda de 15 kW a 220 Vrms y 60 Hz. Al considerarse una carga resistiva, se presentará una corriente máxima de 68 A. Asumiendo una tensión constante de 600V DC se calcula la máxima corriente DC, esta es igual a 50A. El equipo que se ajusta a los aspectos técnicos es el DL2G75SH12A, es un integrado IGBT con diodos en antiparalelo. Pueden llegar a soportar un potencial de bloqueo 1200V y conduce hasta 100A en corriente de colector. Además, posee un capacitor de 10mF en el lado de DC para ayudar a mantener el voltaje. 4.6.5

Modelo detallado del sistema

El modelo de la central mareomotriz se implementó en Matlab Simulink, para de alguna forma determinar el comportamiento y controles asociados a la operación del sistema. El sistema consta de 6 partes: la turbina y los engranes o el sistema mecánico, generador de imanes permanentes, rectificador AC/DC, enlace de tensión continua, el inversor con su respectivo filtro y la carga. La turbina se modela como un generador eólico, pero con la diferencia que se le cambia el dato de la densidad del agua, puesto que la densidad del agua y del aire es diferente. La turbina tiene como salida un valor de torque. Dicho torque pasa a través de un multiplicador de velocidad, la cual está en la caja de engranajes. Luego ingresa al eje del generador de imanes permanentes. Para el generador de imanes permanentes se usa la librería que contiene Matlab Simulink. A la salida del generador se tiene la velocidad angular, la cual servirá como retroalimentación para la entrada de la turbina. Por último, se extraen datos de voltajes y corrientes, los cuales ingresan al rectificador AC/DC. A la salida del convertidor se tiene un banco de resistencia y un capacitor. Para simular el efecto de la línea de transmisión.

71

Figura 21. Modelo completo del sistema. (Matlab Simulink)

72

Se usa el inversor de la librería del programa. El inversor se configura 2 brazos, 2 compuertas IGBT más sus respectivos diodos. El control de las compuertas es realizado por pulsos PWM bipolares, estos se generan con una onda sinusoidal modulada. Existe un filtro de salida es para obtener una onda sinusoidal, consta de una inductancia en serie y un condensador en paralelo. Finalmente, la carga se compone de dos resistencias que se conectan o se desconectan para modelar la potencia necesaria. 4.7

Resultados del modelo Se realizó la simulación en el software Matlab, se realizó una simulación de 20

segundos. A continuación, se describe el modelado de las mareas.

Figura 22. Modelo de mareas del sistema. (Matlab Simulink) La entrada consta de un selector con 2 velocidades, las cuales simula 1 constante y una variable. Los parámetros se los puede variar dando doble clic sobre el elemento.

73

Figura 23. Modificación de un parámetro. (Matlab Simulink) Esto significa que existirán 3 velocidades distintas con diferentes amplitudes en diferentes tiempos de simulación, una vez que se lo parametrice con los valores deseados se da clic en aceptar. Todos estos parámetros de velocidad en m/s van a ingresar en la entrada de la turbina, adicional a ello se tiene una entrada de referencia de la velocidad angular de la turbina la cual es retroalimentada desde la salida del generador de imanes permanentes. A la salida de la turbina se obtiene torque mecánico Tm, el cual sirve de entrada para el eje del generador de imanes permanentes. Adicional a ello se tiene un scope para verificar las entradas de las corrientes. Como se observa en la siguiente figura.

74

Figura 24. Turbina. (Matlab Simulink) Los parámetros más importantes de la turbina son la potencia mecánica máxima de salida, el ángulo de la turbina, base de generación, es decir desde que velocidad la turbina empieza a generar potencia, como se observa en la siguiente figura.

Figura 25. Parámetros de la turbina. (Matlab Simulink)

75

La potencia mecánica generada por la turbina se transmite al generador de imanes permanentes, dicho generador posee las tres fases ABC, además de un bus con varios parámetros, como la velocidad del rotor en rad/seg, el torque electromagnético en N.m, y las corrientes del estator de las tres fases, como se observa en la siguiente figura.

Figura 26. Generador de imanes permanentes. (Matlab Simulink) Los parámetros que se deben ingresar en el generador son los que se observan en las siguientes figuras.

76

Figura 27. Generador de imanes permanentes parámetros a. (Matlab Simulink)

Figura 28. Generador de imanes permanentes parámetros b. (Matlab Simulink)

77

Las fases ABC se conectan al inversor AC/DC, el mismo se parametriza con los siguientes datos.

Figura 29. Convertidor AC/DC. (Matlab Simulink)

Figura 30. Parámetros, convertidor AC/DC. (Matlab Simulink) El convertidor AC/DC está conectado por una línea DC, que esta modelada por resistencias y un capacitor. Los parámetros del inversor se presentan a continuación.

78

Figura 31. Conexión convertidor AC/DC e inversor. ( Matlab Simulink)

Figura 32. Parámetros del inversor. (Matlab Simulink) El gate del inversor está controlado por pulsos PWM, el cual tiene como entrada la forma de onda del voltaje de la carga, con una referencia en pu. Como se observa en la siguiente figura.

79

Figura 33. Generador de pulsos PWM. (Matlab Simulink) Una vez que la compuerta actúa, el voltaje entra al filtro trifásico, para posteriormente ser medido por el Measure. Finalmente llega a la carga, tiene una carga en paralelo comandado por un interruptor para ajustar la carga según se requiera. A continuación, se presentarán las formas de onda de cada parte descrita. Para observar el diagrama unifilar propuesto observe el anexo E. En la siguiente figura se presenta la corriente del estator de la fase a.

80

Figura 34. Corriente del estator fase a. (Matlab Simulink) A continuación, se presenta la corriente del estator fase b.

Figura 35. Corriente del estator fase b. (Matlab Simulink)

81

Figura 36. Corriente del estator fase c. ( Matlab Simulink)

Figura 37. Torque electromagnético. (Matlab Simulink)

82

Figura 38. Salida de la turbina Tm. (Matlab Simulink)

Figura 39. Salida del convertidor AC/DC. (Matlab Simulink)

83

Figura 40. Potencia generada. (Matlab Simulink) La potencia generada tiene la forma que se observa en la figura 30 porque se tiene datos contantes de velocidad de las mareas. 4.8

Estructura del generador La estructura del generador debe ser fácil de transportar y su posterior instalación.

Por facilidad la estructura se diseña en una plataforma flotante, por medio de cables se sostiene la plataforma que contiene la turbina y la caja de engranajes, además del sistema eléctrico. Esta es la manera más fácil de llegada, puesto que se evita la complejidad del transporte terrestre, y al ser una isla se convierte en la única forma de instalación. La obra civil al ser una construcción muy profunda el costo es muy elevado, pero al usar una plataforma dicho costo se reduce en un gran porcentaje, ya que el costo de anclaje de la plataforma es mínimo. Este tipo de diseño es inofensivo para el medio ambiente, no afecta al medio marino, tampoco afecta al movimiento natural de los sedimentos, tampoco afecta a especies marinas. No tiene repercusión en el cauce del canal y algo que es muy importante no afecta al paisaje, así como tampoco inunda alguna ribera.

84

A pesar de que el diseño es muy simple, existe un problema para la turbina, ya que queda expuesta a turbulencias significativas. Si la turbina está ubicada en un canal existe la suficiente protección para que dicho factor no sea un problema. Existen múltiples formas de colocar la puesta a tierra, una de ellas consiste en instalar dos conductores en paralelo, los cuales constan de un puente flotante y anclados con pesos muertos juntamente con boyas. Todos los materiales que se necesitan para la puesta a tierra son fáciles de conseguir, por lo que se reducen costos. A continuación, se presenta el sistema aproximado, el cable puente flotante, la puesta a tierra y el generador con su respectiva turbina.

Figura 41. Sistema aproximado. Fuente: (Erich & Wall, 2012).

85

Figura 42. Sistema aproximado detallado. Fuente: (Erich & Wall, 2012). En la plataforma el anclaje está ubicado en un punto de ella, este es el encargado de hacer girar para orientar la turbina ante una corriente marina, como se muestra a continuación.

Figura 43. Orientación de la turnia, pivoteo. Fuente: (Erich & Wall, 2012).

86

4.9

Transmisión El sistema de transmisión o de engranajes consta de 2 etapas. Estas etapas tienen

una relación de cambio de 1:3. Consta de engranajes de forma cónica para dar orientación y dirección de la turbina 90º hacia arriba. A continuación, se muestra el sistema de engranajes con la turbina y el generador.

Figura 44. Sistema de engranajes relación 1:3. Fuente: (Erich & Wall, 2012). 4.10 Costo de la energía Para calcular el costo de la energía eléctrica se divide el costo anual del generador por la producción de la energía. Los costos anuales se componen del costo anualizado de la operación de la central mareomotriz, dentro de estos costos se encuentran la operación, inversión, mantenimiento y piezas de repuesto de componentes. El EPRI anualiza los costos de la inversión con el factor de retorno que se representa a continuación. 𝑟

𝑓𝑟(𝑟, 𝑛) = 1−(1+𝑟)−𝑛 r: tasa de descuento. n: vida útil del generador.

87

(10)

El costo de la energía se calcula multiplicando el costo de inversión por el factor de retorno. 𝐶𝑑𝐸 =

(𝐶𝐼𝑇∗𝑓𝑟)+

(𝐶𝑂&𝑀)+𝐶𝑅 𝑃𝐼

𝐺𝐴

(11)

CdE es el costo de la energía CIT es el costo de inversión total. CO&M es el costo de operación y mantenimiento. CR son los costos de reemplazo PI es la potencia instalada. GA es la generación anual. El factor de retorno se procede a calcular tomando en cuenta que la vida útil es aproximadamente de 20 años con una tasa de descuento del 10%. 0.10

𝑓𝑟(𝑟, 𝑛) = 1−(1+0.10)−20 = 11.7%

(12)

Con un costo de inversión anual de 763/kW año. La tasa de descuento disponible para proyectos mareomotrices va desde el 8% hasta el 15%. Se escoge una tasa de descuento del 10%. Con un costo fijo de mantenimiento de 4% mas 1.5% por concepto de costo de la inversión anual, es decir se tiene 507,6 USD/año y 190.35 USD/año respectivamente. Hasta alcanzar un total de 698 USD/año. La energía anual se calcula tomando en cuenta el valor de la demanda promedio la cual es de 5.000Wh. La energía anual es de 45.309 kW-año. La capacidad máxima de suministro es de 15.000W esto quiere decir que el factor de planta es del 33%.

88

Tabla 6. Costo de la energía. Datos económicos

Central mareomotriz

Tasa de descuento anual

10%

Vida útil Cantidad de horas en el año

20 años

8.760

Potencia instalada

kW

15

Potencia promedio

kW

5

Potencia máxima

kW

15

Generación anual

kW-año

Inversión unitaria Costos fijos anuales

USD kW USD-año

45.309 6.500 698

Lt o kgr Consumo especifico

/kWh

Costos variables no combustibles. Mils/kWh Factor de planta anual

0.33

Costos fijos por kWh Factor de recuperación de capital Inversión unitaria anual Costos fijos unitarios Costos fijos unitarios totales Costos fijos anuales totales

0.117 USD/kW-año USD/kW-año USD/kW-año mils/kWh

763 46.56 810.05 257.2

Costos variables Costo variable de combustible Costo variable de no combustible Precio de la energía

mils/kWh

89

257.12

CONCLUSIONES

Las islas galápagos consta de un grupo de islas las cuales son, Isla Isabela, Isla Fernandina, Isla Santa Cruz, Isla San Cristóbal, Isla San Salvador, Rábida, Wolf, Genovesa, española, Baltra, Pinta, Pinzón y Santa fe. Una vez realizado el estudio de las corrientes, se encuentra que las velocidades de las mareas son muy bajas como para que sea factible implementar un generador mareomotriz, están en el orden de los 0 hasta 1 m/s no constantes al año. Sin embargo, a muy bajas profundidades existe una corriente que posee una velocidad de 1.5m/s constantes durante todo el año llamada corriente de Cromwell. El detalle de dicha corriente es que se encuentra a 100 metros de profundidad y es muy estrecha. Con esta velocidad de corriente se podría obtener 48275,223 kWh/año. Existen otros sitios factibles que no son precisamente en las islas Galápagos, son los canales de Posorja y Puna, el estero salado en la provincia del Oro y el Guayas; poseen registros de 3 hasta 4 m/s. La factibilidad es evidente puesto que tienen un mejor promedio de velocidades de corriente, esto implica que se aprovecha mejor la turbina mareomotriz, traduciéndolo en la producción de más energía eléctrica al año. Se realizó el estudio para escoger el mejor diseño para la turbina mareomotriz, llegando a determinar que la mejor opción es la balsa flotante que es anclada con cables. Evitando altos costos de obra civil y posibles inconvenientes, además debido a que se trata de implementarlo en una isla, esta se convierte en la más factible. El impacto ambiental que produce el diseño e implementación de una balsa flotante es mínimo, lo cual es muy importante porque las islas Galápagos son un atractivo turístico, por su riqueza en fauna y flora tanto terrestre como marina. Esto hace que las medidas y controles ambientales sean muy rigurosos al momento que se pretende implementar un proyecto de energía eléctrica. El modelo de la turbina es un tripala de eje horizontal, puesto que ofrece una mayor estabilidad. La boya posee un sistema de orientación pasivo, esta permite posicionar a la turbina alrededor de la boya, la cual se encuentra anclada mediante pesos muertos. El gran problema de este diseño es que en ambientes abiertos las turbulencias afectan de manera directa a la turbina, este problema es solucionable si la central se la ubica en un canal.

90

Para el modelo simulado en el software Matlab se consideró una velocidad constante de 1m/s. La máquina sincrónica de imanes permanentes fue la escogida por ser muy robusta y eficiente. La energía que genera la maquina sincrónica debe ser transportada hacia un convertidor AC/DC, el cual regula la corriente que se refleja en el lado de continua. La energía obtenida en DC es transportada mediante una línea DC para ser entregada a un inversor, el mismo que es controlado por un generador de pulsos PWM, el que tiene como entrada la forma de onda de voltaje y una referencia en pu, para generar la tensión sinusoidal y posteriormente ser entregada a la carga. El factor de planta de la central es bajo siendo de un 33%, debido a sus corrientes muy bajas y que la turbina trabaja a partir de 0.7m/s, esto implica que la mayor parte del tiempo la turbina pasa sin trabajar. La energía mareomotriz es muy buena opción para sistemas aislados, ya que a comparación con otros tipos de energía como la que quema combustibles fósiles, la mareomotriz es mucho más barata puesto que el costo de combustible es 0.

91

RECOMENDACIONES La situación actual de la provincia de galápagos tiene una normativa ambiental exigente tanto con la flora y fauna sea; terrestre o marítima de tal manera que la implementación de una central mareomotriz, debe garantizar la eficiencia energética, calidad en los componentes teniendo el mínimo impacto ambiental posible (flora y fauna) islas Galápagos. Además, previo a la implementación de un proyecto eléctrico, se debe contar con una licencia ambiental que permita el desarrollo de este, posterior a la implementación del proyecto, el ente encargado dará un seguimiento al proyecto para asegurar que no exista impacto al medio ambiente. Es conveniente realizar un plan de mantenimiento predictivo para la central mareomotriz propuesta, lo que garantiza el tiempo de vida prolongado de los elementos importantes de la central, entre ellos, el grupo turbina-generador. Esto contribuye directamente al control medioambiental, garantizando el cumplimiento durante su funcionamiento. Buscar corrientes de agua más potentes en las profundidades del océano para que la turbina pueda generar energía eléctrica constante de tal manera que será una fuente renovable de larga vida. Se puede implementar un sistema hibrido siendo Eólico-mareomotriz implementando una turbina eólica de eje horizontal aprovechando las corrientes de aire al igual que la turbina mareomotriz aprovecha corrientes de agua a mar abierto.

92

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ANEXOS Anexo A. Ley de Betz Para saber cuál es la potencia que una masa de agua transmite a los alabes de la turbina en primer lugar se calcula la energía cinética antes de que el fluido entre en contacto con los alabes a la cual llamaremos Ec1, luego se calcula la energía cinética después de que hayan pasado por las aspas a la cual llamaremos Ec2. La diferencia que existe entre las energías Ec1 y Ec2 es el valor de energía entregada a la turbina. Considerando un tubo con distintos diámetros de sección por donde circula un caudal Q como se ilustra en la siguiente figura.

Figura 45 Ilustración tubo varias secciones. (Erich & Wall, 2012). El caudal que atraviesa el tubo es contante por lo tanto se puede expresar como: 𝑄1 = 𝑄 = 𝑄2

(13)

𝐴1 ∗ 𝑉1 = 𝐴𝑉 = 𝐴𝑉2

(14)

Entonces el producto del área por la velocidad de barrido de las palas es contante en cualquier lugar del tubo. Usando las dos ecuaciones descritas anteriormente, se puede determinar la energía cinética entre la sección anterior del turbinaje y posterior a ella es: 1 2

𝐸𝑐1 − 𝐸𝑐2 = 𝑝𝐴𝑙(𝑉12 − 𝑉22 ) La potencia de transferencia es:

96

(15)

𝑃=

𝐸𝑐1 −𝐸𝑐2

(16)

𝑡

Si relacionamos las dos ecuaciones descritas anteriormente tenemos: 1

𝑃 = 2 𝑝𝐴𝑙(𝑉12 − 𝑉22 )

(17)

La potencia que recibirá la turbina es la descrita en la ecuación anterior, pero a su vez se puede expresar. 𝑃 = 𝐹𝑉

(18)

Pero: 𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎 = 𝑝𝐴𝑙

𝑉1 −𝑉2 𝑡

= 𝑝𝐴𝑉(𝑉1 − 𝑉2 )

(19)

Igualando ecuaciones se obtiene que:

𝑉=

𝑉1 +𝑉2

(20)

2

La siguiente ecuación proporciona la velocidad que posee un fluido en los alabes de la turbina, en función de las velocidades anteriores y posteriores a los alabes. 1

𝑃 = 4 𝑝𝐴(𝑉1 + 𝑉2 )(𝑉12 − 𝑉22 )

(21)

Si la V1 es constante, la potencia que absorbe las palas es la máxima. Esto matemáticamente es el producto de derivar la ecuación anterior con respecto a V2. 𝑑𝑃 𝑑𝑉2

1

= 4 𝑝𝐴 ((𝑉12 − 𝑉22 ) − 2𝑉2 (𝑉1 + 𝑉2 )) = 0

(22)

Resolviendo la ecuación descrita se tiene que:

𝑉2 =

−2𝑉1 ∓√(2𝑉1 )2 +4∗3∗𝑉12 2∗3

=−

𝑉1 ∓2𝑉1 3

=

V1 3

(23)

Relacionando ecuaciones se tiene que: 1

32

16

1

Pe = 4 pA 27 ∗ V13 = 27 ∗ 2 pAV13 = 0.5926Pd

(24)

Por el teorema de Betz se tiene que la potencia máxima extraíble es de 59.26% de la potencia total disponible en el flujo. Es por lo que los rendimientos de las turbinas son menores a 59%.

97

Anexo B. Carta islas Galápagos

Figura 46 Carta islas Galápagos. Fuente: INOCAR.

98

Anexo C. Distribución del cuarto de máquinas.

Figura 47 Distribución cuarto de máquinas. Fuente: Autoría propia.

99

Anexo D. Diagrama Unifilar Central Mareomotriz

Figura 48 Diagrama unifilar, central mareomotriz.

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