Archivo de febrero, 2011
En las células de combustible el elemento principal es el electrolito que permite el transporte de los protones. En los bordes del electrolito se dispone de elementos que hacen la separaciòn de cargas, las cargas negativas recorren el circuito eléctrico hecho de cobre para su utilización en forma de electricidad, los protones pasan a través del electrolito y al llegar al otro extremo se reunen nuevamente con moléculas de oxígeno para formar agua… dicen que calienta algo y lo es, el autor de la figura menciona unos aprox. 85ªC, también se menciona, una eficiencia eléctrica entre 40% y 60%…
Por la eficiencia alta son bastante tentadores, pero por su costo no lo son, al menos por ahora. Son muy costosos y se requerirá más investigación y desarrollo de prototipos para probar modelos eficientes pero econòmicos (lo mas importante con esta tecnología por que su eficiencia es alta, pero si logran más alta mucho mejor).
En este caso utilizan agua como fluido operativo, pero se sabe que hay investigaciones en que utilizan otros fluidos, pero casi la gran mayoría sigue el mismo principio.
Las células de combustible también se pueden modelar… mediante Matlab/Simulink… y como habrán visto estas últimas entradas son para visualizar las tecnologías existentes que se utilizan como alternativas energéticas y las que se dislumbran para el mañana o que serán fuente principal de abastecimiento de energia en el futuro… ya en las próximas entradas, a medida que vamos investigando, colocaremos simulaciones en Matlab/Simulink, pero ya de hecho, que si alguien está interesado a desarrollar estas simulaciones, lo podemos asesorar o si desea llevar el curso de Matlab/Simulink sólo es necesario escribirme.
Explicamos a continuación el diagrama de la central. Se tiene que este tipo de central tiene muchos muchos espejos que adecuamente controlados y dispuestos reflejan la radiación solar hacia la parte alta de una torre en donde se ha instalado una caldera. En esta caldera es calentado un fluido operante que al salir de la torre es almacenado en un tanque, para que cuando sea necesario, es derivado hacia un intercambiador de calor en donde cede parte de su calor hacia un segundo circuito con agua, que lo vaporiza e ingresa a una turbina de vapor de agua, la cual acciona un generador. Ambos fluidos se desplazan en su propio circuito y retornan su ciclo.
No son tan usuales estas instalaciones, pero las hay, y como todas las energias renovables, están en proceso de desarrollo, mejora de eficiencias y disminución de costos. El proceso se puede modelar y simular, de hecho, uno de los programas fuertes es Matlab/Simulink para hacerlo.
Este es el caso de una central termosolar en el cual, el fluido operante pasa a través de un tubo dispuesto en el punto focal de espejos parabólicos. El fluido se calienta y pasa a un depósito que es almcenado. Cuando es necesario, este primer fluido pasa a unos intercambiadores de calor, en donde ceden su calor a agua que se vaporiza en la cantidad y presiòn suficiente para mover una turbina de vapor de agua que acciona un generador. El vapor de agua ya exhausto, sale de la turbina y pasa a unas torres de enfriamiento simples, que vierten el agua al aire para que enfríe; luego el ciclo se repite con un precalentamiento del agua y enfriamiento del lìquido operante en el lado solar.
Esta primera vista, muestra un detalle estático de la central solar… más sin embargo, si desearamos colocarlo en situaciones diversas con una variación de la carga, entonces sería necesario variar los flujos circulantes… eso no se puede ver en este diagrama, pero si en una simulación, que puede ser en Matlab/Simulink y que al desarrollarlo, quien lo hace aprende mucho del proceso mismo, porque para simular hay primero que modelar, y para modelar hay primero conocer bien el proceso.
En la presente entrada observan una microturbina esquemàticamente. El autor de la figura ha hecho un cálculo de las eficiencias que se dan en cada parte del equipo.
Es parecida a la entrada anterior, sólo que adicionalmente han considerado un calentador de agua que se aprovecha de los gases de combustiòn que provienen de la turbina de gas.
Estos ciclos termodinàmicos se estudian en lápiz y papel, lo mismo que sus cálculos, pero el desarrollar software que permita hacer los cálculos en mayor cantidad y fácilmente adaptarse a una nueva configuración de la microturbina, ayuda mucho al diseñador como al profesional y estudiante a comprender mejor estos procesos. Es por ello lo importante que es la simulaciòn y el modelamiento, no es necesario llegar a construir el equipo, cosa que resulta cara y en algunas situaciones imposible, pero bien podemos programar y al menos dar un primer sentido a lo que se hace. Un tema interesante, si desean modelar y simular, favor contactar.
Hola, a veces resulta un tanto dificil hacer la traducción, a este equipo se llama MICROTURBINA. Como verán el equipo ya contiene su generador, es por ello que lo hemos colocado como central eléctrica.
Veamos el proceso, el aire ingresa forzado por el compresor, luego pasa por un intercambiador de calor (se aire ingresante se calentado por los gases de combustión) para luego ir a una cámara de combustión, la expasiòn de los gases ocurre en la turbina de gas y luego los gases residuales pasan al intercambiador de calor para el calentamiento del aire fresco ingresante. La turbina de gas acciona un generador y que en éste mismo eje se acciona también la turbina.
Estos sistemas también se utilizan actualmente en lo que se refiere a la microgeneración de electricidad… ya que son equipos pequeños, de fácil instalacion y funcionamiento… de hecho que no son tan sencillos en el mantenimiento, dado que tiene elementos de alta tecnología como la misma turbina de gas y hay partes del equipo que funcionan a alta velocidad de rotaciòn y otras con altas temperaturas.
Estos modelos se pueden simular también en Simulink y Matlab… completos o si es el deseo, quizás modelar bien una parte del proceso o del equipo.
Esta es una de mis tipos de centrales favortias… una central térmica a vapor. Lo usual es que se utilize como combustible algo abundante y de desperdicio de algun proceso. Por ejemplo: la caña de azúcar luego se extraerse el azúcar y alcohol, queda reducida a simple bagazo, entonces esta apta para ser quemada en las calderas. También hay diseños para quema de material orgánico de biomasa, por ejemplo: residuos provenientes de casas, etc.
Su principio es semejante a la turbina de gas. Se quema el combustible y la energía liberada para al fluido operante (en este caso agua) que está inmerso de un circuito cerrado. El vapor de agua ingresa a la turbina de vapor conectada mecànicamente a un generador. El vapor de salida de la turbina pasa a un condensador y el ciclo se reinicia. Es el famoso Ciclo de Rankine.
También esto se puede simular en Matlab/Simulink. Habrá alguien que ha tratado de hacer esto como tema de tesis ?
Añado algo principal, tanto acá como en los diagramas anteriores, no se ha hablado de los equipos auxiliares y los hay muchos en una central eléctrica. Por ejemplo, los equipos de acondicionamiento de aguas, sin ellos, todo el sistema estaría en grave peligro por mala calidad de agua. También están los sistemas de protecciòn mecánica, eléctrica con diferentes equipos. Los transformadores de potencia y de mediciòn, sensores, actualadores, equipos de control y mando, entre muchos mas. Mayor información en un buen libro sobre Máquinas Térmicas.
Estos sistemas seguirán operando en el futuro junto con las energías renovables, es decir, el ingeniero de hoy y del mañana, tendra que saber ambas cosas.
En alguno de mis anteriores entradas habíamos mencionado que las proyecciones a futuro contemplan el uso de plantas a carbón… si lectores, se seguirán usando por su obvias ventajas en lo que respecta a la capacidad calorìfica del carbón, muy superior a la de otros combustibles. Además, aún las reservas de carbón son altas y tienen para buen tiempo. CAsi todos los países desarrollados han contemplado seguir utilizando carbón como recurso energético primario.
Vayamos a la descripciòn. El carbòn se llevado a un pulverizador mediante un sistema de tornillo sin fin. En el pulverizador lo que se desea es lograr que el carbón tenga el tamaño mìnimo necesario para que su combustión sea perfecta y completa. Luego el carbón se ingresa a las calderas en donde libera su energìa contenida con cierto grado de eficiencia. Si seguimos el paso al carbón, los productos de la combustión pasan a través de un precipitador electrostàtico en donde las particulas cargadas son capturas, luego pasa a un sistema de lavado de los gases de escape y de ahi se emite hacia la atmósfera. Lo capturado en el lavado de gases, son partículas de todo tipo, son procesador, separados y eliminados para cumplir normas de impacto ambiental.
Sigamos el camino del calor liberado del carbón. Este es transferido a lìquido operante de la caldera, por lo general, agua de calidad adecuada. Se convierte en vapor de agua a mul alta presiòn, este vapor ingresa a la turbina de vapor. La turbina de vapor consta de varias elapas, en primer lugar el vapor ingresa a la etapa de alta presiòn, luego de ahi a la presiòn intermedia y finalmente a la etapa de baja presiòn. Porque varias etapas? Porque estamos hablando de turbinas de mas de 500 MW de capacidad (por lo general una central térmica a carbón se hace para potencias mucho mas altas). El vapor agotado pasa por un condensador y reingresa al proceso. El condensador es enfriado en este caso, mediante intercambio indirecto con un circuito de refrigeraciòn que utiliza torres para su enfriamiento.
Todo esto se puede simular en Matlab/Simulink. Se puede colocar los paràmetros del caso para mirar como es que se comporta el sistema ante una variación de la presiòn de vapor, o una reducción de la capacidad calorìfica del carbón, o un incremento de la carga que alimetan el generador.
Como les repito, en el corto y mediano plazo, las energias renovables trabajarán junto con centrales eléctricas de carbón, entre otras (nuclear)… y es por ello que lo hemos considerado en este blog.
Este ciclo combinado tiene varias cosas… tiene generaciòn de electricidad, vapor de agua y agua caliente. El calor contenido en los gases de escape de la turbina de gas, pasan por una caldera en donde se genera vapor de agua a una buena presiòn de tal manera que acciona una turbina de gas conectada a un generador propio. Luego vapor de escape de dicha turbina, aun tiene la cantidad suficiente de energìa como para calentar mediante un equipo de transferencia de calor, agua caliente para uso residencial o de oficinas.
Este ciclo combinado detallado en la presente, tiene casi todo lo que uno idealmente quisiera como ingeniero tener, una extracciòn de todo la energìa quìmica contenida en los combustibles con destino para diferentes usos en varias etapas.
Se llama capacidad calorìfica a la cantidad de energìa contenida por unidad de combustible. Esta se libera en la combustiòn, pero hay varios tipos de combustión: perfecta e imperfecta, completa e imcopleta. Cada una de ellas, tiene su significado y sus porques. (Si desean profundizar un libro de Máquinas Térmicas les ayudará).
Ciclos combinados de este tipo tambien se pueden simular en Matlab/Simulink.
Ya lo habiamos explicado en la entrada anterior lo referente a la turbina de gas. Por lo general, un tercio de la energia generada por la turbina de gas se utiliza en comprimir el aire en el compresor (valga la redundancia). En esta aplicación, el calor residual contenido en los gases de escape de la turbina de gas, pasan a un intercambiador de calor en donde como producto principal se tiene vapor salurado.
Esta es otra de las posibles aplicaciones. Ese vapor saturado puede ir a múltiples usos tanto para secado, esterilizado, etc. Segùn la aplicaciòn y la temperatura final que se desea obtener. En el caso de fluidos, hay una relaciòn entre presiòn y temperaratura (mirar tablas termodinàmicas).
Alguien puede mencionar que esto ya no se deberìa tratar en este blog dedicado a las energias renovables. Pero hay que decirlo, este tipo de aplicaciones se estan utilizando junto con las renovables para atender los picos de demanda. Aunque algunas de ellas por su potencia y por la utilizaciòn, son usadas como centrales base.
Este diagrama es representativo y al igual que el anterior se puede simular con Matlab/Simulink, claro teniendo como repito, toda la parte matemàtica o fìsica desarrollada.
Esta entrada muestra el diagrama de flujo de una central eléctrica de ciclo combinado destinada para la generación de electricidad. Estas centrales se han puesto de moda debido a que se mejora la eficiencia total de la instalación debido a reuso de calor proveniente de los gases de combustión, y que antiguamente se iba hacia la atmósfera.
El proceso inicia en la turbina de gas, con la compresión de aire, luego la combustión y la expansiòn en la turbina de gas de donde se obtiene electricidad por el accionamiento del generador respectivo. Luego los gases de combustión, pasan a una caldera en donde se genera vapor de agua (hay aplicaciones con otros fluidos operantes) el cual ingresa a una turbina de vapor en donde se expande y entrega trabajo que sirve para accionar el generador de electricidad respectivo. El calor residual es condensado por enfriamiento en el condensador y el fluido reinicia el ciclo.
Eficiencias del 50% y creo que algo mas han sido obtenidas mediante este mecanismo. Las mejoras van en el diseño de la turbina de gas, se están consiguiendo que se trabaje a mayor tempearatura con materiales destinados a los álabes de última generación, lo mismo decir para la turbina de vapor.
Estos sistemas tambien se pueden simular en Matlab/Simulink, para lo cual, obviamente, debes tener todo el material matemático que describa cada uno de los procesos.
Pequeñas caídas de agua sucede en las parte sierra del Perú y de muchos países en donde hay una fluencia del recurso agua. Estos causes de agua bien pueden ser utilizados para la generación de fuerza y electricidad.
Para mantener la cantidad de agua, se aconseja tener colchones acuìferos, formados por pequeños bosques en las partes altas que permitan almacenar agua para las estaciones secas del año y para mantener el caudal de agua hacia abajo.
Tambien se puede pensar en reservorios utilizando las formas naturales de las coordilleras con la finalidad de disminuir costos en construccion de cemento, fierra, arena y piedra. Estas pequeñas centrales hidroelèctricas, pueden funcionar con un generador simple y la turbina puede ser una soluciòn local de construcciòn artesanal. Si hay presupuesto se puede optar por una mejor soluciòn.
Los modelamientos y simulaciones de tales centrales tambièn se pueden hacer con Simulink/Matlab considerando en detalle cada parte de la central, de esta manera, podemos visualizar de mejor mañanera el funcionamiento de los diferentes componentes y equipos. Un diseño más complicado puede llevar incluso a calcular esfuerzos, golpes de ariete, vibraciones, desgaste, etc…
Hola a todos los que visitan el blog.
Muchos que visitan el blog tratan de buscar informaciòn para temas que desarrollan en su universidad o en su centro de trabajo.
Como autor del blog, les pido que siempre coloquen el nombre del blog y de su autor en sus referencias.
Haber si me apoyan en este sentido. Ya que con ello, el trabajo que se realiza en desarrollar este blog se vea compensando como referencia en trabajos de estudiantes y profesionales.
Atte
JORGE MIREZ
Para quienes desean trabajar en entorno Linux, les comento que si hay versiòn de Matlab/Simulink para entorno Linux.
Por ejemplo, tengo la versiòn para Ubuntu. Algunas opiniones, la veo menos vistosa que la versiòn con Windows, pero para quien desea mas que todo tener resultados es lo que menos importa. Mucho cuidado con las tildes y demas simbolos, los cuales producen error y hay que estar corrigiendo. Aunque no lo he hecho, me dicen que esto puedo ser solucionado configurando adecuadamente el Linux, pero en mi caso, lo que he optado es no utilizar acentos, y demas simbolos…. procuren hacer las palabras en inglès, asi se evitan ciertos simbolos. Tambièn hay ciertas opciones que no se muestran por ejemplo cuando estas trabajando en un archivo *.mdl y en los Scopes… pero es cuestion de acostumbrarse y ver soluciones.
La versiòn en Linux ocupa mucho menos memoria, y la PC al menos hasta ahora se desempeña bien.
Algunas de las siguientes entradas seràn desarrolladas en versiòn Linux Ubuntu, veràn que hay algunas diferencias.
Por lo tanto, hay para todos los gustos, Windows y Linux, lo principal es aprenderse los comandas y a programar, que los valientes se hacen en el campo de batalla.
El XVIII Congreso internacional de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Sistemas y Ramas Afines (INTERCON) se realizará este año en la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI) en Lima, PERU. El evento es organizado por la Rama IEEE de la UNI, la IEEE y la UNI.
Mayor información visiten http://www.intercon2011.org/
Estaremos en el INTERCON 2011 dando un Tutorial sobre Simulación en Matlab/Simulink de MIcroRedes de Energía con Fuentes de Energía Alternativas (tema propuesto) de 2 horas de teoría y 2 horas de práctica en el laboratorio de Cómputo, los interesados apuntarse en la página web del evento que es: http://www.intercon2011.org/
Si visitan las entradas anteriores se habrán dado cuenta que trabajamos con un nivel de voltaje predeterminado que oscila según el comportamiento normal de las redes eléctricas.
En la presente entrada, se tiene un panel solar en que mostramos diferentes variables durante el período de estudio de 24 horas. Se tiene ahi los valores de irradiación a lo largo del día, tambien la potencia que genera el panel solar, la corriente generada por los paneles solares y la energía que ha generado durante el dia. También se considera la temperatura ambiental que influye en la forma como funciona el panel solar.
Al centro se muestra los valores de la eficiencia. La eficiencia mostrada en este ejemplo es pobre, de hecho hay materiales solares con mejores eficiencias, pero dado que se ha trabajado con datos de determinado tipo de célula, estas son las que se obtienen. Si fuera el caso de otros materiales o fabricantes, se puede obtener mejores eficiencias. Pero aca no queremos pecar de ilusos y mostrar lo último (eficiencias del 40%) sino que también deseamos mostrar el lado real de las renovables, en las que en el mercado actual se tiene productos de diferentes calidades y precios, obvio que los menos eficiencies son los más baratos y a la vez los más asequibles.
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Datos Generales
Good day. My full name is Jorge Luis MIREZ TARRILLO.
I am Peruvian and live in Lima, capital of Perú in South America.I am Mechanical Electrical Engineering, MSc Physics and Dr. Physics (title doctoral thesis: Control, Optimization, and Management of Microgrid Current Direct)
Too, actually job as Principal Professor in Faculty of Oil, Gas and Petrochemical Engineering of Universidad Nacional de Ingeniería (National University of Engineering) in Lima – PERU (Courses: Modern Physics, Differential Equations and Research's Methodology)
My subjects of my interest are control, signal processing, optimization, simulation, biomedical research, smart grid, microgrid, water.
I have experience in Matlab/Simulink programming, biomedical equipment, electrical systems, renewable energies, microgrids, saturated steam systems 100 psi and organizing academic events.
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Matlab/Simulink and Renewable Energy [Jorge Mírez] 
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