Desarrollo de circuitos electrónicos para la extracción y conversión en energía eléctrica de la vibración aplicada a materiales piezoeléctricos

xx,145 p.

Fuentes de energía para el futuro.

Resumen basado en el de la publicación. Este volumen tiene su origen en el curso de formación del profesorado de educación secundaria que se celebró en la Universidad Internacional Menéndez Pelayo de Santander, en el verano de 2007

Financiamiento y regulación de las fuentes de energía nuevas y renovables: el caso de la geotermia

Incluye Bibliografía

Estimación de la potencia eólica en una zona mediante el apoyo de estaciones meteorológicas de referencia y el empleo de técnicas estadísticas no paramétricas, funcionales y de machine learning: aplicación a las islas Canarias

Programa de doctorado: Tecnología industrial

Energía solar

La energía solar posee un enorme potencial, por ejemplo, si un 10% del desierto de Sahara fuera instalado con paneles solares (suponiendo una efectividad de captación de radiación del 10%), produciría una cantidad de energía eléctrica equivalente al doble del consumo eléctrico mundial. De este modo no existe un problema de recursos o fuentes de energía, sino un problema de costos (actualmente, la energía solar es 10 veces más cara de producir que la provista por una central térmica tradicional) y las demás formas limpias de generar electricidad (hidroeléctrica, geotérmica, mareomotriz, eólica, etc.) no poseen la capacidad técnica de alimentar al planeta dado los recursos limitados de las mismas (Lackner y Sachs 2005). En Argentina el uso de este tipo de tecnología es todavía muy limitado. No obstante ha aumentado recientemente la popularidad del uso de la energía solar (y calefones solares) en la región de Cuyo haciendo verdaderamente importante un estudio sobre si esta tendencia es correcta y conviene a la sociedad o si sus recursos serían mejor invertidos en otras tecnologías o gastos (incluso dentro del ámbito energético). Un aspecto que resulta importante evaluar es la conveniencia de la implementación de estas tecnologías desde el punto de vista económico-privado ya que de esta manera se pueden direccionar acciones de políticas tendientes a incentivar el uso de las mismas.

Diseño y construcción de una mini-turbina eólica

Dado que es difícil imaginar en el futuro una sociedad moderna donde la energía no juegue un papel fundamental y puesto que numerosos estudios han demostrado que el ritmo actual de consumo de combustibles es insostenible y perjudicial para la vida del planeta, es fundamental concienciar a la humanidad de que un cambio de tendencia no solo es necesario sino que es imperativo. No se trata de erradicar por completo el uso de fuentes de carácter fósil, pues en muchos países es su principal o incluso su única forma de obtener energía, sino de avanzar hacia un equilibrio en la generación, para lo que será vital permitir el desarrollo de energías limpias, aumentar la eficiencia de la tecnología y reducir el consumo. En este contexto se ha decidido construir un rotor eólico de pequeñas dimensiones que servirá como herramienta de estudio para alumnos de ingeniería. Para diseñar la turbina se ha desarrollado un modelo de programación informática que, basado en conceptos aerodinámicos, permite calcular la geometría de las palas en función de unas condiciones iniciales, estimar la potencia del rotor y obtener sus curvas de funcionamiento. Uno de los principales problemas de la tecnología eólica es su alta variabilidad, por ello se ha implementado un sistema de regulación de velocidad; se trata de un mecanismo que actúa sobre la orientación de las palas y permite regular la potencia de un generador eléctrico acoplado al rotor. Los aerogeneradores actuales recurren a este tipo de sistemas para tratar de suavizar los desequilibrios de potencia que puedan producir las ráfagas de viento. Se ha recurrido a un software de diseño asistido por ordenador para dibujar tanto el rotor como el sistema de regulación de velocidad. La mayoría de las piezas del rotor se han fabricado con ayuda de una impresora 3D, otras, las metálicas, se han tallado en aluminio mediante un torno. Aunque el programa informático que realiza los cálculos aerodinámicos devuelve datos teóricos a cerca del comportamiento del rotor, se ha creído necesario probar el molino mediante ensayos de laboratorio a fin de obtener un resultado más realista.Abstract Given that it’s difficult to imagine any modern society in the future where energy does not play a crucial role, and as many studies have shown that the actual rate of fuel consumption is unsustainable and harmful to life on the planet, it is essential to raise mankind’s awareness that a change in the current trend is not only necessary, but is also imperative. It is not a question of completely eradicating the use of fossil fuels, as in many countries they are the main or even the only way of generating energy, but rather working towards a balance in generation. To do so it is vital to encourage the development of clean energies, increase technological efficiency and reduce consumption. In view of this we have decided to build a small scale wind turbine rotor which can be used as a study tool for engineering students. To design the turbine a software programme was developed based on aerodynamic concepts, which allows us to calculate the geometry of the blades depending on certain initial conditions, estimate the power of the turbine, and obtain performance curves. One of the main issues with wind technology is its high variability, and therefore we implemented a speed regulation system consisting of a mechanism that varies the orientation of the blades and thus allows us to regulate the power of an electric generator attached to the turbine. Current wind powered generators use this type of system to try to smooth out spikes in power that may be caused by gusts of wind. We have used CAD software to design both the turbine itself and the speed regulation system. Most of the turbine parts have been manufactured with the aid of a 3D printer, while the other metallic parts have been turned on made a lathe in aluminum. Although the software programme which calculates the aerodynamics provide us theoretical data about the operation of the rotor. We consider it necessary to test the wind turbine in a lab to obtain more accurate results.

Estudio de una red aislada de distribución de pequeña potencia y gran penetración eólica con la herramienta PSS/E

El objeto de este proyecto es realizar un análisis de estabilidad ante contingencias en una red aislada de pequeña potencia con alto grado de penetración eólica mediante la herramienta PSS/E con el fin de aportar conocimiento para, posteriormente, definir la forma de operación más adecuada de dicho sistema atendiendo a su eficacia y fiabilidad. La red considerada para el estudio es la de la isla de El Hierro, en el archipiélago de Canarias, donde se tiene previsto abastecer exclusivamente, a toda la isla, combinando la aportación energética de un parque eólico y una central hidráulica con grupos de bombeo. Para realizar los estudios de estabilidad se analizan una serie de escenarios considerados de interés desde el punto de vista técnico, bien sea abasteciendo la demanda con una sola fuente de generación o con varias a la vez. El interés principal de esta red radica en que es una red aislada, de pequeña potencia, por lo que el proceso de integración masiva de energías renovables en la misma presenta una serie de particularidades que se irán detallando a lo largo del trabajo. El modelado de la red se ha realizado utilizando PSS/E, un software comercial extendido para el análisis de los sistemas de potencia. Con el programa se han resuelto los regímenes estáticos de funcionamiento (flujos de cargas) y los dinámicos (estudios de contingencias). Los resultados mostrarán las tensiones o frecuencias en los nudos de interés, observándose cómo cambian los valores en la situación anormal de funcionamiento y cómo se recuperan cuando se despeja la falta considerada, retornándose a los valores que existían en la red previos al fallo. Se pretende concluir cuál debe ser el mínimo de energía convencional que se debe mantener en el sistema para asegurar el suministro de forma fiable y segura en cualquier circunstancia.

Desarrollo de un Procedimiento Basado en Algoritmos de Optimización para el Dimensionado de Absorbedores Puntuales Aplicados a la Conversión de Energía Undimotriz

La energía transportada por el oleaje a través de los océanos (energía undimotriz) se enmarca dentro de las denominadas energías oceánicas. Su aprovechamiento para generar energía eléctrica (o ser aprovechada de alguna otra forma) es una idea reflejada ya hace más de dos siglos en una patente (1799). Desde entonces, y con especial intensidad desde los años 70, ha venido despertando el interés de instituciones ligadas al I+D+i y empresas del sector energético y tecnológico, debido principalmente a la magnitud del recurso disponible. Actualmente se puede considerar al sector en un estado precomercial, con un amplio rango de dispositivos y tecnologías en diferente grado de desarrollo en los que ninguno destaca sobre los otros (ni ha demostrado su viabilidad económica), y sin que se aprecie una tendencia a converger un único dispositivo (o un número reducido de ellos). El recurso energético que se está tratando de aprovechar, pese a compartir la característica de no-controlabilidad con otras fuentes de energía renovable como la eólica o la solar, presenta una variabilidad adicional. De esta manera, diferentes localizaciones, pese a poder presentar recursos de contenido energético similar, presentan oleajes de características muy diferentes en términos de alturas y periodos de oleaje, y en la dispersión estadística de estos valores. Esta variabilidad en el oleaje hace que cobre especial relevancia la adecuación de los dispositivos de aprovechamiento de energía undimotriz (WEC: Wave Energy Converter) a su localización, de cara a mejorar su viabilidad económica. Parece razonable suponer que, en un futuro, el proceso de diseño de un parque de generación undimotriz implique un rediseño (en base a una tecnología conocida) para cada proyecto de implantación en una nueva localización. El objetivo de esta tesis es plantear un procedimiento de dimensionado de una tecnología de aprovechamiento de la energía undimotriz concreta: los absorbedores puntuales. Dicha metodología de diseño se plantea como un problema de optimización matemático, el cual se resuelve utilizando un algoritmo de optimización bioinspirado: evolución diferencial. Este planteamiento permite automatizar la fase previa de dimensionado implementando la metodología en un código de programación. El proceso de diseño de un WEC es un problema de ingería complejo, por lo que no considera factible el planteamiento de un diseño completo mediante un único procedimiento de optimización matemático. En vez de eso, se platea el proceso de diseño en diferentes etapas, de manera que la metodología desarrollada en esta tesis se utilice para obtener las dimensiones básicas de una solución de referencia de WEC, la cual será utilizada como punto de partida para continuar con las etapas posteriores del proceso de diseño. La metodología de dimensionado previo presentada en esta tesis parte de unas condiciones de contorno de diseño definidas previamente, tales como: localización, características del sistema de generación de energía eléctrica (PTO: Power Take-Off), estrategia de extracción de energía eléctrica y concepto concreto de WEC). Utilizando un algoritmo de evolución diferencial multi-objetivo se obtiene un conjunto de soluciones factibles (de acuerdo con una ciertas restricciones técnicas y dimensionales) y óptimas (de acuerdo con una serie de funciones objetivo de pseudo-coste y pseudo-beneficio). Dicho conjunto de soluciones o dimensiones de WEC es utilizado como caso de referencia en las posteriores etapas de diseño. En el documento de la tesis se presentan dos versiones de dicha metodología con dos modelos diferentes de evaluación de las soluciones candidatas. Por un lado, se presenta un modelo en el dominio de la frecuencia que presenta importantes simplificaciones en cuanto al tratamiento del recurso del oleaje. Este procedimiento presenta una menor carga computacional pero una mayor incertidumbre en los resultados, la cual puede traducirse en trabajo adicional en las etapas posteriores del proceso de diseño. Sin embargo, el uso de esta metodología resulta conveniente para realizar análisis paramétricos previos de las condiciones de contorno, tales como la localización seleccionada. Por otro lado, la segunda metodología propuesta utiliza modelos en el domino estocástico, lo que aumenta la carga computacional, pero permite obtener resultados con menos incertidumbre e información estadística muy útil para el proceso de diseño. Por este motivo, esta metodología es más adecuada para su uso en un proceso de dimensionado completo de un WEC. La metodología desarrollada durante la tesis ha sido utilizada en un proyecto industrial de evaluación energética preliminar de una planta de energía undimotriz. En dicho proceso de evaluación, el método de dimensionado previo fue utilizado en una primera etapa, de cara a obtener un conjunto de soluciones factibles de acuerdo con una serie de restricciones técnicas básicas. La selección y refinamiento de la geometría de la solución geométrica de WEC propuesta fue realizada a posteriori (por otros participantes del proyecto) utilizando un modelo detallado en el dominio del tiempo y un modelo de evaluación económica del dispositivo. El uso de esta metodología puede ayudar a reducir las iteraciones manuales y a mejorar los resultados obtenidos en estas últimas etapas del proyecto. ABSTRACT The energy transported by ocean waves (wave energy) is framed within the so-called oceanic energies. Its use to generate electric energy (or desalinate ocean water, etc.) is an idea expressed first time in a patent two centuries ago (1799). Ever since, but specially since the 1970’s, this energy has become interesting for R&D institutions and companies related with the technological and energetic sectors mainly because of the magnitude of available energy. Nowadays the development of this technology can be considered to be in a pre-commercial stage, with a wide range of devices and technologies developed to different degrees but with none standing out nor economically viable. Nor do these technologies seem ready to converge to a single device (or a reduce number of devices). The energy resource to be exploited shares its non-controllability with other renewable energy sources such as wind and solar. However, wave energy presents an additional short-term variability due to its oscillatory nature. Thus, different locations may show waves with similar energy content but different characteristics such as wave height or wave period. This variability in ocean waves makes it very important that the devices for harnessing wave energy (WEC: Wave Energy Converter) fit closely to the characteristics of their location in order to improve their economic viability. It seems reasonable to assume that, in the future, the process of designing a wave power plant will involve a re-design (based on a well-known technology) for each implementation project in any new location. The objective of this PhD thesis is to propose a dimensioning method for a specific wave-energy-harnessing technology: point absorbers. This design methodology is presented as a mathematical optimization problem solved by using an optimization bio-inspired algorithm: differential evolution. This approach allows automating the preliminary dimensioning stage by implementing the methodology in programmed code. The design process of a WEC is a complex engineering problem, so the complete design is not feasible using a single mathematical optimization procedure. Instead, the design process is proposed in different stages, so the methodology developed in this thesis is used for the basic dimensions of a reference solution of the WEC, which would be used as a starting point for the later stages of the design process. The preliminary dimensioning methodology presented in this thesis starts from some previously defined boundary conditions such as: location, power take-off (PTO) characteristic, strategy of energy extraction and specific WEC technology. Using a differential multi-objective evolutionary algorithm produces a set of feasible solutions (according to certain technical and dimensional constraints) and optimal solutions (according to a set of pseudo-cost and pseudo-benefit objective functions). This set of solutions or WEC dimensions are used as a reference case in subsequent stages of design. In the document of this thesis, two versions of this methodology with two different models of evaluation of candidate solutions are presented. On the one hand, a model in the frequency domain that has significant simplifications in the treatment of the wave resource is presented. This method implies a lower computational load but increased uncertainty in the results, which may lead to additional work in the later stages of the design process. However, use of this methodology is useful in order to perform previous parametric analysis of boundary conditions such as the selected location. On the other hand, the second method uses stochastic models, increasing the computational load, but providing results with smaller uncertainty and very useful statistical information for the design process. Therefore, this method is more suitable to be used in a detail design process for full dimensioning of the WEC. The methodology developed throughout the thesis has been used in an industrial project for preliminary energetic assessment of a wave energy power plant. In this assessment process, the method of previous dimensioning was used in the first stage, in order to obtain a set of feasible solutions according to a set of basic technical constraints. The geometry of the WEC was refined and selected subsequently (by other project participants) using a detailed model in the time domain and a model of economic evaluation of the device. Using this methodology can help to reduce the number of design iterations and to improve the results obtained in the last stages of the project.

Modelización y simulación de la configuración de un campo solar para centrales termosolares de torre: influencia de la óptica del concentrador sobre la generación de energía

Las energías renovables como alternativa a las plantas de producción eléctrica tradicionales que utilizan combustibles fósiles, suponen hoy en día una solución a los problemas de dependencia energética, y emisiones de CO2 no deseadas a la atmósfera, habiéndose producido un fuerte desarrollo en la tecnología especialmente eólica y solar en la última década. Empresas como Abengoa, Acciona, Aries, ACWA, Sener, Brightsource entre otras, están apostando fuerte por la energía solar, y es concretamente dentro de la compañía Abengoa, dónde surge la propuesta de esta tesis doctoral. El estudio aquí realizado surge como resultado del trabajo desempeñado dentro del Departamento de Investigación y Desarrollo de Abengoa Solar New Technologies, y posteriormente dentro de Abengoa Research, empresa creada para concentrar el I+D de toda la compañía. El objetivo final consiste en optimizar las plantas solares termoeléctricas de torre, centrándonos en el campo de heliostatos (espejos) que lo componen y en su influencia sobre la producción eléctrica de la planta pudiendo así facilitar unas pautas de optimización del campo según el tipo de heliostato utilizado, y plantear una alternativa a la configuración de campos de heliostatos ya existente. Para ello, se estudian dos posibles escenarios, en el que se contemplan dos tipos de facetas diferentes, siendo las facetas las diferentes unidades o espejos por los que está constituido el heliostato. Un primer escenario que consiste en un campo de heliostatos con facetas esféricas, y un segundo escenario que consiste en heliostatos con facetas planas, estando dichas facetas en ambos casos canteadas esféricamente, es decir, orientadas su normales adecuadamente para que conformen una superficie “imaginaria”, lo más cercana posible a la esférica...

Evaluación de la sustitucion parcial o total de aceite de palma (Elaeis guinensis) por aceite de fritura como fuente de energía en la ración alimenticia de pollos de engorde

La presente investigación estuvo dirigida a determinar la viabilidad, que sobre el desempeño productivo del pollo de engorde, podía ejercer la sustitución parcial o total del porcentaje de aceite de palma (Elaeís guínensis, Jacq) por aceite de fritura como fuente de energía en la ración alimenticia. La sustitución parcial o total se hizo con base en el 6% de aceite que se incluye en la fórmula alimenticia, ajustada a los requerimientos de los pollos de engorde. El ensayo experimental fue realizado en la granja avícola "La Trinidad", propiedad de la empresa TIP-TOP INDUSTRIAL S.A. Se utilizaron 700 pollos de engorde para producción comercial, del híbrido Peterson-Hubbard, de un día de edad y mantenidos en evaluación durante un periodo de 42 días. Estos fueron distribuidos aleatoriamente en cuatro tratamientos, conformados cada uno de cinco unidades experimentales, y éstas a su vez con 35 pollos cada una, quedando de la forma siguiente: Tratamiento T1 (testigo): 6% aceite de palma; tratamiento T2 : 2% aceite de palma y 4% aceite de fritura; tratamiento T3: 1% aceite de palma y 5% aceite de fritura; tratamiento T4 : 6% aceite de fritura. El resto de los ingredientes que conformó la dieta alimenticia fue igual para todos los tratamientos; así como también el manejo de los pollos se realizó al igual que lo hace la Empresa para toda su producción. Las variables estudiadas fueron consumo de alimento, peso vivo final y conversión de alimento. Los resultados obtenidos a partir de estas variables fueron analizados a través de un Diseño Completamente Aleatorio y sometidos a la Prueba de Tukey, el que proporcionó la superioridad existente entre tratamientos. Se encontraron diferencias significativas (p<0.05) entre tratamientos para la variable conversión alimenticia, con índices de conversión para el final de período experimental, de 1.8050, 1.7829, 1.7550 y 1.7310 para los tratamientos T1, T2, T3 y T4, respectivamente. Las variables consumo acumulado de alimento y peso vivo final no presentaron diferencias estadísticas a un nivel de significancia de p<0.05. El análisis financiero demostró que el tratamiento T4 tiene un menor costo de alimentación, siendo este de C$3.35/kg peso vivo. Encontrándose los tratamientos T1.T2 y T3 con costos de C$3.8210, C$3.5624; y C$3.4527/kg peso vivo, respectivamente. El mayor beneficio neto por kilogramo de peso vivo lo obtuvo el tratamiento T4, con C$0.47. Siendo el beneficio neto para los tratamientos T2 y T3 de C$0.26 y C$ 0.37, respectivamente. La mortalidad presentada por los tratamientos T1, T2, T3, y T4 para el final del período experimental fue de 5.13, 3.99, 2.85 y 3.99 (%), respectivamente.

Efecto de diferentes niveles de energía conservando la relación energía-proteína en piensos de inicio y finalización en pollos de engorde

En el presente estudio se compararon cuatro dietas con diferentes niveles de energía 2,940, 3,040, 3,140 y 3,240 (Kcal EM/Kg de alimento), los cuales fueron ajustados a los requerimientos nutricionales en cuanto a la relación caloría proteína recomendados por la Hubbard Farm, Inc. (1991). Durante un periodo de 56 días los broilers fueron evaluados en la granja avícola "Buenos Aires" que pertenece a la Tip Top Industrial S.A. se utilizaron 803 pollos de engorde de un día de nacidos de la línea Hubbard, los que fueron distribuidos aleatoriamente en tres unidades experimentales proporcionales a los cuatro tratamientos existentes, estos distribuidos en un diseño completamente al azar y sometidos a la prueba de Tukey el que proporciona la superioridad existente entre tratamientos. Se encontraron diferencias significativas (P<0.05) entre tratamientos en las variables peso vivo, ganancia de peso y conversión alimenticia pero no así para el consumo alimenticio. Los tratamientos T1 T2, T3 y T4 presentaron mortalidad al final del periodo de 2.57, 4.41, 7.88 y 10.89 (%) respectivamente y rendimiento en la canal del 84.45 % para todos los tratamientos. Se concluyó que las dietas más energéticas proporcionaban las mejores conversiones alimenticias y las mayores ganancias de peso. Y a medida que se incrementaba el nivel energético en las dietas los costos alimenticios también se incrementaban. La fórmula más económica es el T1 (2940 Kcal EM/Kg de alimento, 21.63 y 18.89 % de proteína para inicio y finalización) durante todas las semanas de estudio. El momento óptimo para la matanza es la sexta semana para el T 1 (2940 Kcal EM/Kg de alimento, 21.63 y 18.89 % de proteínas) y T2 (3040 Kcal EM/Kg de alimento, 22.36 y 19.15 % de proteínas) por efecto de los costos alimenticios.

El principio energía

Resumen: El autor declara que la concepción de la energía, tal como ha arribado a nuestro tiempo, tiene sus orígenes en la Antigua Grecia , pero la noción contemporánea de energía incluye muchas dificultades como para ser aceptada sin crítica . De hecho, los físicos y filósofos discrepan con sus alcances en el mundo natural, y, además, con su naturaleza entitativa. En este artículo se discuten las opiniones de varios fisicomatemáticos y filósofos. No obstante, e n la conclusión final se expresa la necesidad de retornar a la teoría aristotélico-tomista que identifica la energía con el acto de ser, ya de cada cosa mundana, ya de las substancias separadas, porque el acto propio de Dios, que es su misma esencia, no es nada diferente de la energía concebida como el acto puro de la metafísica de Aristóteles y de Santo Tomás de Aquino.

Identificación de oportunidades de ahorro de energía eléctrica en las instalaciones de la Sede Central Universidad Nacional Agraria Noviembre 2010 – Octubre 2011

El estudio se realizó en la sede central de la Universidad Nacional Agraria (UNA), durante el periodo noviembre - 2010 a octubre - 2011; en el cual, se identificaron las oportunidades de ahorro energético. Se realizó un inventario de los equipos eléctricos, registrando el voltaje, amperaje y tiempo de uso, se calculó el consumo eléctrico; luego se procedió a la caracterización de la energía, estimación de las emisiones de CO 2 e identificación de las oportunidades de ahorro energético y escenarios de sustitución de equipos de aire acondicionados . El consumo total de energía eléctrica en la UNA fue de 7, 177,417.66 kWh/año. Las facultades consumieron 4, 307,580.72 kWh/año , Direcciones 2, 424,954.06 kWh/año, Rectoría 240,961.89 kWh/año, Auditoría interna 36,462.45 kWh/año y áreas independientes a la academia y administración, consumieron 167,458.53 kWh/año. Considerando el consumo vampiro, este aportaría 717,741.77 kWh/año al consumo total de la universidad. Los laboratorios de las Facultades de Agronomía y Ciencia Animal presentaron los mayores consumos, seguidos de los laboratorios y Departamentos Académicos de cada Facultad, en cambio, en la Facultad de Desarrollo Rural el orden descendente según consumo fue el siguiente: Departamentos Académicos, Decanatura y Delegación Administrativa laboratorios. Los usos más representativos en la UNA fueron: climatización procesamiento de la información electrónica, Reparación y mantenimiento, electrodomésticos, prácticas y pruebas de laboratorio con sus respectivos equipos; esto varió en dependencia de las características y funciones de cada sitio. La emisión total de CO2 por consumo eléctrico fue de 5,086.76 ton.

¿Qué se puede hacer con la energía eléctrica que se produce por diferentes medios, para mejorar la actividad humana en todos sus aspectos?

Duración (en horas): Más de 50 horas. Destinatario: Estudiante y Docente