Diseño preliminar de un sistema energético híbrido (eólico-solar) y cálculo de su generación energética como apoyo al Pabellón Olímpico de Badalona.

Abstract

La energía es fundamental para el crecimiento de la sociedad, permite que en la actualidad la vida sea más segura y sencilla, junto con ello, se busca que esta sea económica, de generación rápida y que la forma de captación no sea dañina para el medio ambiente. Existen diversas formas de generar energía, las que se verán a lo largo de la presente memoria son la eólica y la solar en un mismo sistema. A la capacidad de juntar en un mismo proyecto 2 o más energías limpias se le denomina energía híbrida, esta es la tecnología verde que se busca fabricar, un ejemplo de esta es la unión de la captación eólica y la solar fotovoltaica. A lo largo de la presente memoria de título, se busca como objetivo principal Diseñar un sistema híbrido, que contenga en sí la energía eólica y solar, calculando la producción energética. El sistema está pensado para ser instalado en el techo del Pabellón Olímpico de Badalona. Ubicado en la ciudad de Badalona a 10 kilómetros del centro de Barcelona. Para que el diseño sea aceptado debe cumplir algunas condiciones de diseño. - El sistema debe generar un mínimo de 50 [Wh] de energía con un viento de 4.5 [m/s]. - Las palas deben tener una altura de 1.8 [m], las cuales, en sus caras interna y externa, se deben colocar paneles fotovoltaicos. Con el objetivo de cumplir lo solicitado y dar un análisis del sistema, se desarrollan 3 objetivos independientes. - Diseñar el prototipo de un aerogenerador del tipo vertical, el cual tenga integrado paneles fotovoltaicos. - Calcular la producción de las áreas eólica y solar de forma independiente. - Evaluar la viabilidad del sistema según su producción energética. Para resolver el primero de ellos se buscan los tipos de aerogeneradores de eje vertical existentes, dejando como sistema óptimo para el proyecto el aerogenerador Darrieus tipo H de 3 palas, el cual en las palas se le incorporaran los paneles solares, logrando el diseño del sistema híbrido. Teniendo un pre diseño en mente, se desarrollan los cálculos de producción del sistema en 2 áreas, una eólica y otra fotovoltaica, logrando con esto el segundo objetivo. Finalmente se hace un análisis económico de los costos de producción de un aerogenerador híbrido, los cuales se contraponen a las ganancias logradas por la producción lograda. Como principales resultados el aerogenerador tiene un radio de giro de 1.5[m], manteniendo los 1.8[m] de las palas, logrando de esta forma cumplir con las condiciones de diseño, y logrando una generación anual de 182.765 [Wh/año], con ayuda de datos de la velocidad viento de un centro meteorológico. Para los paneles se utilizan paneles de celdas amorfas, permitiendo que estos se acoplen al diseño de las palas, estos afirman una producción de 80[W] en condiciones óptimas, del centro meteorológico se extraen los datos de radiación, con los cuales al desarrollar el cálculo entregan que el área solar podría alcanzar una producción anual de 263.015 [Wh/año], dejando un resultado anual de 445.780 [Wh/año]. Es este dato el cual se analiza con respecto al ahorro económico que lograría el proyecto. Considerando un costo de 0.145 euros por kWh, el sistema logra una producción de 64,63 euros anual, esto implica que a partir del año 14 el sistema logra ganancias. Además, se espera que el mismo tenga una vida útil de 20 años lo cual indica que tendremos 6 años de profit económico. Una mejora para la producción del aerogenerador sería aumentar el largo de sus palas, esto permitiría incrementar la producción y daría lugar a colocar paneles más grandes en las palas permitiendo una mayor captación de radiación, logrando una mayor producción energética en todos las aéreas del sistema. Otro factor a considerar es que se evalúan la puesta en marcha de un único sistema, en el caso de poner más se deben evaluar los vientos turbulentos producidos, los cuales por efecto de diseño incrementan la producción de los aerogeneradores de eje vertical. Por su parte los resultados demuestran que el área solar permite una mayor producción que el área eólica, por ello se invita a hacer un cálculo de producción en el caso de solo colocar paneles en el tejado del Pabellón.

Energy is fundamental for the growth of society, it makes life safer and simpler nowadays, along with this, it is sought that it is economical, fast generation and that the way of capturing it is not harmful to the environment. There are several ways to generate energy, the ones that will be seen throughout this report are wind and solar in the same system. The ability to join in the same project 2 or more clean energies is called hybrid energy, this is the green technology that is sought to manufacture, an example of this is the union of wind and solar photovoltaic collection. The main objective of this thesis is to design a hybrid system, which contains wind and solar energy, calculating the energy production. The system is intended to be installed on the roof of the Olympic Pavilion of Badalona. Located in the city of Badalona, 10 kilometers from the center of Barcelona. For the design to be accepted it must meet some design conditions. - The system must generate a minimum of 50 [Wh] of energy with a wind of 4.5 [m/s]. - The blades must have a height of 1.8 [m], and photovoltaic panels must be placed on their inner and outer faces. In order to fulfill the request and give an analysis of the system, 3 independent objectives are developed. - To design the prototype of a vertical wind turbine with integrated photovoltaic panels. - To calculate the production of the wind and solar areas independently. - To evaluate the viability of the system according to its energy production. To solve the first of them, the existing types of vertical axis wind turbines are searched, leaving as optimal system for the project the Darrieus wind turbine type H of 3 blades, which in the blades will incorporate the solar panels, achieving the design of the hybrid system. Having a pre-design in mind, the production calculations of the system are developed in 2 areas, one wind and the other photovoltaic, thus achieving the second objective. Finally, an economic analysis of the production costs of a hybrid wind turbine is made, which are set against the profits achieved by the production achieved. As main results, the wind turbine has a turning radius of 1.5 [m], maintaining the 1.8 [m] of the blades, thus achieving compliance with the design conditions, and achieving an annual generation of 182,765 [Wh/year], with the help of wind speed data from a meteorological center. For the panels, amorphous cell panels are used, allowing these to be coupled to the design of the blades, these claim a production of 80 [W] in optimal conditions, from the meteorological center radiation data are extracted, with which to develop the calculation deliver that the solar area could reach an annual production of 263,015 [Wh/year], leaving an annual result of 445,780 [Wh/year]. It is this data that is analyzed with respect to the economic savings that the project would achieve. Considering a cost of 0.145 euros per kWh, the system achieves an annual production of 64.63 euros, which implies that from year 14 onwards the system achieves profits. Furthermore, it is expected to have a useful life of 20 years, which indicates that we will have 6 years of economic profit. An improvement for the production of the wind turbine would be to increase the length of its blades, this would increase the production and would lead to place larger panels on the blades allowing a greater capture of radiation, achieving a higher energy production in all areas of the system. Another factor to consider is that the commissioning of a single system is evaluated, in the case of putting more, the turbulent winds produced must be evaluated, which by design effect increase the production of vertical axis wind turbines. On the other hand, the results show that the solar area allows a higher production than the wind area, so we invite to make a production calculation in the case of only placing panels on the roof of the Pavilion.