Fundamentos y Diseño de Sistemas de Energía Renovable: Solar, Eólica e Hidráulica

Transformación de Energía Solar: Diseño de Instalaciones Fotovoltaicas

Cg = Cd (Diseño de instalación eléctrica de una vivienda rural usando paneles solares)

Cd = Ed / Vtr | Ed = (Ecc + Eca) / n | Determinación de la carga de consumo diario.

Cálculo de la Energía de Consumo Diario

Ei = Pi x ti | Ed = ΣEicc + ΣEica / n (watts/hora)

Determinación de Módulos en Paralelo

Eg = Ppg x HSP (watts/hora)

• HSP: Horas Solar Pico
• Ppg: Potencia Pico del Generador

Ppg = Ppm x Nt

Ppm = Vpm x Ipm

Nt = Np x Ns (Número de módulos en serie y paralelo)

Determinación de Horas Solar Pico (HSP)

Las Horas Solar Pico (HSP) indican la intensidad de radiación de 1000 W/m².

HSP = Iα / 1000 (horas)

Número Total de Módulos

Eg = Vpm x Ipm x Ns x Np x HSP

Vpm x Ns = Vpg

Eg / Vpg = Cg (amperios/hora)

Np = Cd / (Ipm x HSP)

Vtr = 12V

Ns = Vtr / Vm

Nt = Ns x Np

Tamaño del Acumulador

Cs = Cd x (Número de días de autonomía) / Pf

Pf: Profundidad de descarga máxima admisible.

Número de Vasos o Elementos en Serie

N-elementos en serie = Vtr / V-elemento

Mejoramiento del Rendimiento de Baterías

Vagua = (p1 - p2)(p2 - 1)

Características de Tensión y Corriente del Regulador

Ig_módulos = Ipg = Np x Ipm (amperios)

i = P / V (Intensidad de consumo de cada aparato)

Potencia de Salida del Inversor CC/CA

P_salida > ΣPi = n * P_entrada

Sección de los Conductores

S = 2IL / (56ΔV)

• L: Longitud del conductor
• ΔV: Caída de tensión admisible

I = P_salida / (V_entrada x n)

n: Rendimiento del inversor a potencia nominal.

Transformación de Energía Eólica: Principios y Diseño

Fórmula de Betz

P_max = 8/9 (ρS1 * V1³)

• ρ: 1.25-1.27 kg/m³
• S1: Sección sobre la que incide el aire (m²)
• V1: Velocidad del aire

Fuerza de Rozamiento

Fr = (ρV²S) / 2

Fr = (CρV²S) / 2

Tipos de Molinos Eólicos

Molino Multipala Americano

P = 0.15 x D² x V³

Gira entre 10 a 40 rpm, consta de 8 a 36 palas con diámetros de 2 a 8 m y trabaja con alturas de bombeo de hasta 200 m.

Eólicas Rápidas

Utilizadas para generar electricidad, con velocidades de 10-100 rpm, diámetros de 1 a 50 m, con 2 a 7 palas, y potencias de 50 a 700 kW.

P = 0.29 x Cp x D² x V³

• Cp: Coeficiente de potencia (0.2 a 0.45)

La Panemona

Se utiliza mucho en publicidad.

P = ρSV1(C1(V-V1)² - C2(V+V1)²)

• C1 y C2: Factores de forma.
• V1: Velocidad de la panemona en el centro de los álabes.

También se utiliza en el bombeo de agua.

Rotor de Savonius

Panemona mejorada, construida con 2 semicilindros. Se usa para bombeo de agua y para la producción de electricidad.

P = 0.18 x h x D x V³

Se cumple que la relación entre la anchura del canal y el diámetro del semicilindro es 1/6.

Diseño de una Instalación Eólica para Generación de Electricidad

• La energía generada por el aerogenerador debe ser, como mínimo, igual a la energía consumida.
• Se calculan las necesidades energéticas diarias (Ed) y se determina la velocidad media del viento mes a mes.
• Se elige para el cálculo la del mes con menor velocidad media de viento.
• Se comprueba que la velocidad elegida sea superior al par de arranque de los aerogeneradores de los catálogos comerciales e inferior a la de parada por exceso de viento.

Diámetro del Aerogenerador

D = (Ed / (Cp x V³ x 10.47))^(1/2)

• Cp: 0.2-0.3

Transformación de Energía Hidráulica: Aprovechamiento de Saltos de Agua

Potencia Extraíble de un Salto de Agua

Altura Neta de un Salto de Agua

La altura bruta es la diferencia de cotas entre el río aguas arriba y el río aguas abajo, donde desagua el canal de descarga.

La altura útil es la que existe entre el nivel de agua en la cámara de carga, desde la que aflora la tubería de descarga, y el nivel de desagüe de la turbina.

Hn = Hu - Hm

Tipos de Centrales Hidroeléctricas

Centrales de Agua Fluyente

No poseen embalse de agua, presa o azud.

Centrales de Pie de Presa o de Regulación Propia

Embalses existentes o por construir cuyo fin es distinto al aprovechamiento energético (como la regulación del encauce o la utilización del agua para consumo humano, industrial o agrícola) permiten la instalación de una minicentral al pie de presa.

Centrales en Canales de Abastecimiento

Las canalizaciones de conducción de riego o para el consumo humano pueden aprovecharse para colocar en paralelo una tubería forzada y turbinar el agua, devolviéndola de nuevo al canal en un tramo de menor cota o a otro cauce fluvial, utilizándose en este último caso solo los excedentes de consumo.