7 CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA

ESTUDIO Y EVALUACIN DE FACTIBILIDAD DE USO DE ENERGAS ALTERNATIVAS PARA LA ESTACIN SEK LIMONCOCHA

Primer Autor (nombres y apellidos)1, Segundo Autor (nombres y apellidos)21Filiacin, direccin, 2Filiacin, direccin1e-mail:2e-mail:RESUMENEl trabajo aborda el estudio y evaluacin de la factibilidad del uso de energas alternativas para la estacin SEK Limoncocha. Como primer punto se realiza el estudio geogrfico de la zona tomando en cuenta los recursos naturales existentes para la generacin de energas alternativas y el uso de las mismas en la estacin SEK, a partir de este estudio se ejecuta un anlisis meteorolgico de la zona tomando en cuenta la radiacin solar del sector adems de otros parmetros como la velocidad, direccin y frecuencia del viento, humedad relativa a ms de la temperatura, para determinar la factibilidad de uso de energa elica y solar como fuentes primarias para la transformacin y consecucin de energa elctrica en un proceso limpio, sostenible y amigable con el medio. Como segundo punto se realiza un balance de energa, para conocer el consumo energtico dentro de la estacin y as analizar la demanda de energa elctrica y trmica de la misma para una futura implementacin de sistemas energticos ya sean mixtos o hbridos para satisfacer esa demanda.

PALABRAS CLAVES: Energa alternativa, Limoncocha, Energa limpia, Energa elica, Viento.FEASIBILITY STUDY AND EVALUATION OF USE OF ALTERNATIVE ENERGY FOR THE STATION SEK limoncochaABSTRACTThis paper contains the studyand evaluation of thefeasibility of usingalternative energy toLimoncochas SEKstation.The first pointis to studythe geographical areataking into account existence of natural resources for alternative energy generation and use of them at the station located in the area,from this study an analysis of local weather is necessary, taking into account the solar radiation in addition to the area also wind speed and frequency to determine the feasibility in the production of wind power of clean energy.

KEY WORDS: Alternative energy, Limoncocha, Clean energy, Wind energy, Wind.

1- INTRODUCCINLa investigacin corresponde a la primera fase del proyecto, donde se realiza la toma de datos de dos de las fuentes primarias e importantes de energa como son la solar y la elica, fuentes que corresponde al tipo de energas renovables o alternativas, ya que su utilizacin y transformacin conlleva a la preservacin del medio, en este caso de un parque nacional vulnerable como es Limoncocha. Las nuevas tecnologas sirven para que los sistemas energticos alternativos se desarrollen y mejoren desde hace varios aos atrs, de esta manera se idealiza disminuir la contaminacin producida por el uso indiscriminado de combustibles fsiles.

Por su ubicacin geogrfica en el planeta, Ecuador tiene cadada un promedio de seis horas de sol pico. Esa es una fortaleza que incentiva al uso de esta energa como una alternativafavorable al ambiente. Las fuentes ms difundidasson la trmica (baja temperatura) y la fotovoltaica, las cuales constituyen procesos que sirven para el calentamiento de agua y la produccin de electricidad, respectivamente [1]. Los expertos en utilizacin de energa solar y paneles fotovoltaicos, Gilberto Montoya y Santiago Snchez,resaltan tambin la ventaja natural del pas. Para que funcionenestos sistemas se requiere de 5,2 horas sol pico promedio da por ao, Montoya calcula una inversin de USD 7 500 parainstalar unsistema bsico solar, que cubra la demanda de una familia de 4 a 5 miembros. Adems segn varios estudios y mediciones, en la Serrana ecuatoriana se pueden obtener 853 vatios y hasta 300 vatios por metro cuadrado en das nublados [2] Esta energa puede ser aprovechada en forma trmica y elctrica no solo para calentamiento de agua sino tambin para iluminacin de viviendas.

Cada vez la sociedad est ms consciente de la necesidad de explotar energas renovables, se tiene la certeza de que las fuentes energticas clsicas derivadas de materias fsiles (petrleo, carbn, gas natural) son cada vez ms una utopa, la disminucin y remplazo de las mismas, se ha vuelto un problema crtico para los investigadores.

Las energas renovables, no convencionales como son las energas del sol, viento y mareas, actualmente son bien vistas por la sociedad, reciben impulsos econmicos y sociales para lograr obtener mayor eficiencia, sostenibilidad y extensibilidad.

Localizacin

La estacin cientfica Sek Limoncocha se encuentra ubicada en la regin amaznica Ecuatoriana, en la provincia de Sucumbos, cantn Shushufindi, parroquia Limoncocha, dentro de la Reserva Nacional Biolgica Limoncocha, situada en la margen izquierda del ro Napo, misma que tiene una planicie aluvial de 46 km2 (4613 hectreas) pobladas de bosque Hmedo Tropical (bh-T), una temperatura promedio de 24,9 Celsius y una precipitacin lluviosa de 3.058 mm por ao. Est compuesta en su mayora por la Laguna de Limoncocha, las zonas adyacentes a sta y la Laguna Negra, directamente relacionada con el ro Napo,con una superficie que guardan una de las mayores biodiversidades biolgicas en el mundo. Posee gran poblacin de caimanes, especialmentecaimanes negros, y una gran muestra de aves.2- MATERIALES Y MTODOS

Equipos utilizadosEn la investigacin se utiliza un centro meteorolgico profesional marca Oregon Scientific, Modelo: WMR200 / WMR200A, cuyos componentes Incluyen: Barmetro interior, Temperatura interior / exterior, Humedad relativa interior / exterior, Unidad de sensor de viento remoto, Temperatura relativa, Humedad relativa, Transmisor RF, Medidor de lluvia remoto, Medidor de radiacin, Marca PCE SPM1. Todos estos implementos hacen posible una medicin de la potencia y radiacin solar, ya sea memorizada a largo plazo, o comparada.Mtodo investigativoEl anlisis de los diferentes datos recogidos por la estacin meteorolgica es el fundamento de este trabajo utilizado en conjunto con el medidor de radiacin. Un buen anlisis de los mismos facilita un correcto funcionamiento de las instalaciones y permite evaluar la energa captada luego por los paneles, as como los rendimientos de los diferentes sistemas entre ellos la direccin, frecuencia y velocidad del viento con lo que se evaluara su potencial.

Recoleccin de datosAntes de iniciar la recoleccin de datos es importante decidir los intervalos con la que se pretenden recoger la informacin. Aunque lo habitual para los datos meteorolgicos es tener indicadores, estos se usan frecuentemente para modelado de instalaciones, por lo que para que este sea lo suficientemente fino es necesario un periodo de muestreo bastante menor, del orden de la variacin de los datos meteorolgicos, algunos de estos como la direccin del viento, varan en segundos, se comprueba que es bastante acertada la eleccin de recoger en un rango entre uno y quince minutos [3]. Todas estas medidas son recogidas y almacenadas en un datalogger para luego ser bajadas a un ordenador mediante un programa propio de la estacin meteorolgica, no as desde el radimetro que sus medidas son realizadas siempre por un operador y sus mediciones recogidas manualmente.

Estudio de la demanda energtica en la estacinEl estudio energtico de la estacin obedece al balance de energa utilizado por cada elemento en la misma, se puede observar la cantidad de energa consumida por la estacin es de 16,99(kW/h), tomando en cuenta el consumo en el registro de consumo elctrico de la estacin, obteniendo la idea de cuantos elementos transformadores energticos utilizar una vez hecho el levantamiento de las fuentes primarias de energa ya sean estos sistemas solares como paneles fotovoltaicos, o tambin sistemas elicos como los aerogeneradores, dimensionndolos de manera adecuada y posicionndolos en los lugares precisos.

3- TRMINOS Y ECUACIONES

Energa ElicaPara el estudio se aplica y utiliza un anlisis comparativo y estadstico basado en distribucin de vientos de Weibull, ya que para las caractersticas tan dispersas y aleatorias de la energa elica la nica manera de estudiar si una posicin es adecuada o no, es mediante una distribucin estadstica; para ellos se toma la velocidad del viento como una variable aleatoria con una indiscutible funcin de distribucin [4].

En la distribucin de Weibull se utiliza generalmente dos parmetros: el parmetro de escala (c) y el parmetro factor de distribucin de forma (k).

Factor de Distribucin de FormaEl factor de distribucin de forma de energa elica, es la relacin entre la energa que se obtiene en un ao (Nanual) y la energa () si la velocidad del viento se mantuviera constante e igual a la velocidad media () en ese ao [5], es decir: (1)La energa () del viento al ser desplazado con una velocidad igual a la media en 8760 horas del ao es:

(2)Mientras que la energa realmente disponible en el ao es:

(3)Si en dos lugares la velocidad media del viento (v) es la misma, se tiene mayor energa disponible, lo que ocasiona que el factor de distribucin k aumente su valor.

Si los factores de distribucin para dos diferentes lugares, son k1 y k2 y sus correspondientes energas disponibles N1 y N2, se obtiene que: (4)En la gran mayora de los casos los valores de k estn comprendidos entre 1,3 y 4,3; cuando no se dispone de gran cantidad de datos se aceptar la simplificacin del uso de k=2; para este caso, la distribucin resultante, se le conoce como distribucin de Rayleigh [5,6].Distribucin de Rayleigh

Con la informacin de velocidad del viento en un lugar especfico, la ecuacin de distribucin de Rayleigh, ilustra la distribucin de velocidades del viento con una aproximacin razonable dentro de determinados lmites, considerando la velocidad media del mismo un parmetro importante a tener en consideracion. Sus valores vienen dados en la Tabla I. Para velocidades del viento por debajo de 4 m/s (15 Km. /hora) la distribucin de Rayleigh tiene poca precisin [7]. Distribuciones de forma simtrica no siempre se presentan distribuciones. La curva de distribucin de Rayleighes de la forma:

Fig. 1. Diagrama de distribucin de Rayleigh,Tiempo vs Velocidad del viento

Fig. 2. Comparacin Energa disponible y curva de Rayleigh correspondiente.

La energa del viento es proporcional a su velocidad al cubo, tomando en cuenta esto, para una velocidad ms elevada se obtiene un transporte energtico de mayor densidad. Si los resultados en un lugar determinado, Figura 1, se superpone en una grfica de distribucin de Rayleigh, se observa que no coincide exactamente con la curva de distribucin del viento en el lugar y no se pueden sustituir los datos obtenidos de la distribucin de Rayleigh como medidas actualizadas de la velocidad del viento en el sitio, pero se puede usar este tipo de distribucin como una aproximacin razonable cuando los nicos datos con los que se cuenta son los promedios anuales de la velocidad del viento [8], Figura 2.La funcin de densidad de probabilidad de la distribucin de Rayleigh es de la forma: (5)Y la funcin de distribucin correspondiente es:

(6)Con esta distribucin se pretende coincidir la velocidad media del viento en el lugar de estudio, con la velocidad (v). Para poder utilizar un mtodo ms elaborado se requiere disponer con una mayor cantidad de datos, para estos casos se recomienda la utilizacin de la distribucin general de Weibull.

Distribucin de Weibull

Lafuncin de densidad de probabilidadde esta distribucin es de la forma: (7)Siendo:

c = Parmetros de escalak = Factor de formaLa funcin de distribucin correspondiente es:

(8)El momento ensimo de la distribucin de Weibull es:

(9)Siendo: = Funcin gamma.

La curva normal de error o integral de Gauss es:

(10)Que se obtiene a partir de:

(11)Lavelocidad media del viento es el primer momento de la funcin de densidad, n=1, siendo por tanto:

(12)Para determinar los parmetros c de escala y k de forma de la distribucin, se puede utilizar una aproximacin de mnimos cuadrados; partiendo de la funcin de distribucin de Weibull en la forma:

(13)Y tomando logaritmos dos veces se tiene:

(14)Que es de tal forma:

(15)Siendo:

x

Paranpares de valores (x, y) mediante mnimos cuadrados se obtienen las siguientes soluciones deayb:

(16) (17)Resultando en: (18) (19)Tabla 1.- Velocidad del viento y horas de funcionamientoVelocidad Media AnualHoras de funcionamiento

(m/seg)(Hrs.)

8,63500

7,83000

7,12500

6,42000

5,61500

Al obtener datos de las velocidades medias anuales de viento, con la distribucin estadstica de Weibull, se puede conseguir las producciones correspondientes a las horas indicadas de funcionamiento. La informacin de la Tabla 1 corresponde a 950 msnm, tomando prdidas totales de aproximadamente el 8% por motivos de sombras, disponibilidad y transformacin Tomando en cuenta que en la zona de Limoncocha el promedio mensual de vientos est en el rango entre 2 y 3,6 m/s

Fig. 3. Distribucin Tpica de Weibull.Declinacin solar del da

Es la posicin angular del Sol al medioda solar, respecto al plano del Ecuador terrestre; el valor de este ngulo se suele tomar cada da al medioda solar [9], se determina mediante la ecuacin (20).

(20)Dnde:

n= el da del ao, (1 n 365)ngulo Zenital Es el ngulo que forma radiacin directa del Sol y la vertical del lugar, en un punto cualquiera de la Tierra. Este ngulo vara continuamente a lo largo del da tomando valores de 15, 30,45,60 y un mximo de 90El ngulo horario Es el desplazamiento angular del Sol, se mide respecto a la posicin inicial del medioda, el instante en que el Sol se encuentra ms alto en el cielo y correspondiente a un ngulo cenital solar mnimo, es decir, con un ngulo horario igual a 0. Cada hora es igual a 15 de longitud, tomando un valor (+) por las maanas y (-) por las tardes [9].La altura solar o ngulo de elevacin A mayores alturas solares, la radiacin recorre una distancia ms corta al atravesar la atmsfera, mientras que para alturas solares ms bajas, por encima del horizonte es importante porque la radiacin procedente del Sol es forzada a recorrer una masa de aire (m) mucho mayor m1 [9]. (21)

Fig. 4. ngulo de elevacin [9]El ngulo azimutal o posicin del sol Es el ngulo que forma la componente horizontal de la radiacin solar directa, con la direccin sea esta Norte o Sur, para el hemisferio norte se determina mediante la ecuacin (22):

(22)

Fig. 5: Situacin espacial de ngulo azimutal3- ResultadosLos datos de viento fueron tomados bajo el centro meteorolgico profesional WMR200 / WMR200A, durante el ltimo semestre del ao 2011. En los datos tomados de velocidad del viento se reconoce una velocidad mayor de 3.8 m/s en el mes de agosto y una velocidad menor de 3.4 m/s en diciembre.

Tabla 2.- Resultados de velocidad media y frecuencias del vientoMESVELOCIDAD MEDIA Y FRECUENCIAS DE VIENTOVel. MayorVelocidad

NNEESESSWWNWCalmaNro.ObservadaMedia

(m/s)%(m/s)%(m/s)%(m/s)%(m/s)%(m/s)%(m/s)%(m/s)%%Obs.(m/s)DIR(Km/h)

AGO0.00.02.214.50.00.02.114.00.00.02.0110.00.02.17.553.01873.8SE3.78

SEP0.00.02.113.50.01.51.913.00.00.02.013.50.00.02.29.049.52463.8SW3.69

OCT0.00.02.214.00.00.01.912.00.00.01.99.00.00.02.07.058.02543.6NE3.60

NOV0.00.02.312.01.92.02.113.50.00.02.113.00.00.01.97.552.02383.6SE4.68

DIC0.00.02.18.00.00.02.016.50.00.01.912.50.00.01.97.056.01083.4SE3.60

En cuanto al anlisis de radiacin solar, las mediciones tomadas con el medidor de radiacin PCE SPM1, los datos obtenidos corresponden al ltimo semestre del ao 2011, en periodos de 15 minutos diarios.

Mapa solar de la estacin LimoncochaDurante varios das desde el mes de agosto hasta el mes de diciembre del ao 2011, en la estacin Cientfica Sek Limoncocha, se midi la radiacin solar, en valores horarios (W/m2) mximos y mnimos.En la Figura 6 se muestra el comportamiento tpico en un da de la radiacin solar horaria mnima y mxima.

Fig. 6. Radiacin solar horaria (Fuente propia)Con los datos medidos, se obtienen los valores de radiacin solar promedio horaria por da (Wh/m2 por da), los mismos que se presentan en la figura 7, lo que corresponde al mapa solar para la estacin Cientfica Sek Limoncocha, La bsqueda del ptimo real se realiza, a partir de mediciones directas del proceso, con ayuda de sistemas extremales [10].

Fig. 7. Radiacin solar horaria (Fuente propia)

Fig. 8. Distribucin de Weibull para los datos elicos arrojados por la estacin.4- discusinEn los ltimos aos la generacin de energa mediante componentes fsiles se ha convertido en el principal problema a ser solucionada a nivel mundial y el uso de energas como las expuestas en este trabajo presentan una alternativa de solucin. La sociedad actual sta enfocada en utilizar fuentes de energa ms limpias y que no contaminen el medio ambiente, los sistemas fotovoltaicos se presentan como una alternativa factible a un tiempo prolongado, se estima que en la actualidad se han instalado en todo el mundo ms de 1OOGW de potencia fotovoltaica. Los paneles solares actualmente poseen una eficiencia entre el 15% y el 20% [11], con ayuda de un sistema de seguimiento solar, estos porcentajes pueden ser aumentados hasta en un 25%, dependiendo la eficiencia que puede producir el sistema.

En varias investigaciones se apuntan a la implementacin de sistemas de captacin de energa mediante nuevos mtodos, basados en el seguidor solar, que pretenden captar el mayor tiempo posible la energa solar, aumentando su eficiencia a un 45%.

Observando los resultados que se pueden observar en la Fig. 8 se aprecia que para esta distribucin se puede observar que la cantidad de energa elica a ser til es baja y no representara realizar una fuerte inversin ya que las torres o en su defecto las estructuras para colocar los aerogeneradores sern muy altas as como tambin sus costosEs importante que se pueda llevar adelante el seguimiento durante un periodo ms largo sobre el comportamiento de la radiacin solar en varias estaciones ubicadas a lo largo del pas, para planificar adecuadamente su aprovechamiento.Se debe pensar en invertir en varias torres de varias alturas para tener un mejor conocimiento del perfil de vientos en la zona y as cuantificar de mejor manera este recurso tomando en cuenta que debe ser por lo menos un ao de recoleccin de datos.

5- conclusin

Pese a la existencia de la tendencia mundial y en el plan del buen vivir Ecuador, para promover la utilizacin de energa solar, la misma que tiene varias ventajas frente a las fuentes energticas convencionales, las cuales derivan principalmente del uso de los combustibles fsiles como el carbn, petrleo y gas natural, es importante primero conocer el recurso solar que dispone el pas donde ser implementado, como un punto de partida para el diseo y construccin de sistema de aprovechamiento solar. La utilizacin de radiacin solar como fuente de energa en el sector podra desarrollarse de manera exitosa al aprovechar la energa que se recibe del sol.

Debido a que la velocidad del viento en el sector no es la necesaria para poder generar energa no sera factible.

Por los resultados expuestos, la demanda energtica en la estacin puede ser suplida ntegramente por medio de paneles fotovoltaicos, lo cual genera una buena inversin a lo largo del tiempo.

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