Num.13-2019 | Sistema híbrido eólico-fotovoltaico para iluminación vial

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Sistema híbrido integrado por un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius y un módulo fotovoltaico, con fines energéticos.

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Luis Alvarez1, Adríán Cuasapaz2, Juan Pablo Folleco2, Mikaela García2,,Nicole Morillo2, Nathalie Reyes2, Paúl Sandoval2, Paola Valencia2,Tyrone Vilca2

1 Docente FICAYA, Universidad Técnica del Norte
2 Estudiante, FICAYA, Universidad Técnica del Norte
INGENIERÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES *Contactos: lhalvarezj@utn.edu.ec; hnmorilloh@utn.edu.ec

Resumen

El Ecuador, pese a ser rico en fuentes de energía renovable, históricamente ha dependido de combustibles fósiles y contaminantes. La Academia, en su proceso de contribución con las políticas estatales para el cambio de la matriz energética, busca alternativas para que la energía renovable alcance alrededor del 2% de la producción total frente a la energía convencional.

El proyecto de aula, desarrollado por estudiantes de la Carrera de Ingeniería en Energías Renovables, tuvo como objetivo construir un sistema híbrido integrado por un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius y un módulo fotovoltaico, con fines energéticos. Las dimensiones a escala del prototipo fueron de 1.5 m de altura y 0.9 m de ancho. El diseño se construyó para aprovechar velocidades de viento de 3.38 m/s, a 30 m de altura, generado por el paso de los vehículos en la Av. 17 de Julio de la ciudad de Ibarra; y, una radiación solar de 5 158.43 Wh/2/día en el emplazamiento.

El sistema, asistido por un grupo auxiliar de baterías, generó energía para alimentar cuatro luminarias de 50W cada una y permitió entregar energía constante al consumidor durante 8 horas diarias. Constituye una opción viable en lo ambiental y social; pues, se eliminan las pérdidas por transporte de energía eléctrica y se emplean los recursos renovables existentes en el sitio.

Palabras clave Aerogenerador, almacenamiento, energía solar, energía eólica, eficiencia energética.

Abstract

Ecuador, despite being rich in renewable energy sources, has historically depended on fossil fuels and pollutants. The Academy, in its process of contribution with the relevant policies for the change of the energy matrix, seeks alternatives for renewable energy reaching around 2% of total production compared to conventional energy.

The classroom project, developed by students of the Renewable Energy Engineering Degree, aimed to build a hybrid system composed of a Savonius vertical axis wind turbine and a photovoltaic module, with energy fines. The scale dimensions of the prototype were 1.5 m high and 0.9 m wide. The design was built for wind speeds of 3.38 m/s, at 30 m high, generated by the passage of vehicles on Av. July 17 of the city of Ibarra: and, a solar radiation of 5 158.43 Wh/2/día day at the site.

The system, assisted by an auxiliary group of batteries, generates energy to power four luminaires of 50W each and sends constant energy to the consumer for 8 hours a day. It constitutes a viable option in environmental and social matters; therefore, eliminate losses due to electric power transport and use renewable resources on site.Key words Wind turbine, storage, solar energy, wind energy, energy efficiency.

Introducción

El aprovechamiento de las fuentes provenientes de energía renovable es remoto. En tiempos antiguos se empleaba energía hidráulica, solar y eólica para el desarrollo de actividades vinculadas con el ser humano, permitiendo mejorar su estilo de vida (Costés, 2013). Esta modalidad se mantuvo hasta la Primera Revolución Industrial (siglo XVIII), que catapultó a las energías fósiles o convencionales como las fuentes que moverían al mundo, ocasionando conflictos sociales, económicos y ambientales cuyos efectos persisten hasta la actualidad (Goldstein & Balbina, 2015).

El impacto ambiental producido por acciones antrópicas en los últimos años originó el deterioro y cambio climático en la tierra. La necesidad de mitigar dichos efectos condujo a definir políticas e iniciativas que evalúen el estado de la naturaleza y determinen soluciones que fomenten el cuidado y preservación del planeta (Goldstein & Balbina, 2015).

Las energías renovables se definen como el aprovechamiento eficiente de los recursos naturales renovables, que cumplen un ciclo en un periodo corto de tiempo (OLADE, 2011). Su aplicación está garantizada por la Constitución de la República del Ecuador 2008, que en el Art. 15 señala: “El Estado promoverá, en el sector público y privado, el uso de tecnologías ambientalmente limpias y de energías alternativas no contaminantes y de bajo impacto. La soberanía energética no se alcanzará en detrimento de la soberanía alimentaria, ni afectará el derecho al agua”. Esto permite el avance de investigaciones que contribuyan a la conservación del ambiente de forma sostenible y sustentable (Asamblea Nacional Constituyente del Ecuador, 2008).
El Ecuador dispone de un alto potencial energético renovable para la generación electricidad. La matriz energética del país actualmente está constituida por diferentes formas de producción como establece el Operador Nacional de Electricidad (CENACE): energía hidráulica 91 %, energía térmica 9%, y generación no convencional 0,48% (CENACE, 2015).

Entre las fuentes principales de energía para producción eléctrica, la eólica y la solar fotovoltaica son aplicadas para proyectos con fines energéticos en alta y baja escala.

La energía eólica es el aprovechamiento de las masas de viento para obtener electricidad. Ésta puede ser captada por dos tipos de aerogeneradores que según su potencia pueden ser de eje horizontal o vertical. Los primeros se destinan a proyectos de gran escala en emplazamientos con velocidades de viento altas (10-12 m/s); en tanto, los aerogeneradores de eje vertical son aplicados para la generación de energía en emplazamientos con bajas velocidades de viento (2-4 m/s) (Cueva, 2015).

La energía solar fotovoltaica es obtenida a partir de la tecnología del efecto fotovoltaico, mediante la conversión de la radiación solar en electricidad mediante un módulo o panel; es decir, la radiación solar al incidir sobre el panel fotovoltaico crea una diferencia de potencial eléctrico produciendo un salto de electrones que genera corriente eléctrica (Perpiñán, 2018). Según el Atlas Solar del Ecuador para el año 2008, la insolación global en el mes de alta incidencia correspondió a septiembre con un valor de 4974,44 (Wh/2-día), para fines energéticos (CONELEC, 2008).

De acuerdo con el Instituto Nacional de Energías Renovables (INER), en el año 2012, la potencia instalada en alumbrado público en Ecuador fue de 176 MW equivalente a 1 104 072 luminarias encendidas en todo el país. La energía consumida fue 913 GWh que correspondió al 5% de la energía que se generó; y, las pérdidas totales en la transmisión del Sistema Nacional Interconectado (SNI) fueron del 3,92% de la producción energética anual.

Las pérdidas energéticas del SNI en 2014 fueron del 22% y se estima que para 2021 el consumo energético en iluminación de autopistas será de 1 678 GWh lo que corresponde a la producción de una hidroeléctrica de potencia de 280 MW con un funcionamiento de 6000 horas al año, con un coste económico de 1 435 millones de dólares (Vargas, Guevara, & Ríos, 2014).

En el presente documento se expone, de manera resumida, el diseño y construcción de un prototipo híbrido eólico fotovoltaico. Fue un proyecto de aula que permitió impulsar la aplicación de tecnologías inteligentes en la iluminación de autopistas, propiciando un ahorro en el consumo energético con un nivel de sostenibilidad ambiental alto.

Objetivo

El objetivo del proyecto es diseñar y construir un sistema híbrido eólico-fotovoltaico que cumpla con ciertas características técnicas como la disposición de viento y luz solar en un área establecida, para iluminación vial con el propósito de reducir los costes y pérdidas de transporte de energía eléctrica en las carreteras del país manteniendo un balance técnico-económico.

Metodología

El sistema híbrido eólico-fotovoltaico estuvo integrado por un aerogenerador de eje vertical tipo Savonius y un módulo fotovoltaico, junto con dos sistemas de acumulación (baterías) y dos reguladores de carga con fines energéticos.

En la metodología se estableció el pre-diseño, que contempló los parámetros a considerar para el dimensionamiento del diseño final. Los cálculos realizados fueron: capacidad del aerogenerador, diseño de la caja multiplicadora y relación de transmisión. Se evaluó además aspectos como operación y tamaño. A partir de los datos obtenidos, se eligió el modelo apropiado para realizar el prototipo.

Conclusiones

El aerogenerador de eje vertical tipo savonius es una alternativa renovable para la iluminación de carreteras en el país. Su implementación permitirá mejorar la seguridad vial, reducir emisiones de gases de efecto invernadero (GEI); y, aprovecharla radiación solar y el viento generado por el paso de los vehículos.
El desarrollo y perfeccionamiento de la tecnología de captación, acumulación y distribución de la energía solar y eólica es de vital importancia en un país que posee el potencial en recursos naturales para su aprovechamiento con fines energéticos.

Referencias Bibliográficas

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