Energia Maremotriz Undimotriz
Energia Maremotriz Undimotriz
Energia Maremotriz Undimotriz
Océano
Energía
Mareomotriz
Prof. Ing. Alberto Pacci
1
La energía del océanos es la energía
potencial o cinética. Está energía la
producen en conjunto el Sol y la Luna,
que hacen:
• Las mareas
• Las olas
2
Mareas:
Se le llama marea al ascenso y descenso periódicos de
todas las aguas oceánicas, incluyendo las del mar abierto,
los golfos y las bahías.
Existen 3 fuerzas
principales que
producen el
fenómeno de las
mareas, dos
gravitatorias que son
las de la Luna y el Sol
y una centrífuga por
el propio giro de la
Tierra.
3
Marea opuesta
4
La generación de electricidad a través de las mareas es
muy similar a la generación hidroeléctrica.
Centrales Mareomotrices
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TURBINA BULBO
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TURBINA STRAFLO
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TURBINA TUBULAR
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LUGARES PROBABLES PARA INSTALACION.
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Rango medio de Área de la cuenca
País Ubicación
mareas (m) (km2)
Argentina San José 5.8 778
Golfo Nuevo 3.7 2 376
Rio Deseado 3.6 73
Santa Cruz 7.5 222
Rio Gallegos 7.5 177
Australia Secure Bay (Derby) 7 140
Walcott Inlet 7 260
Canadá Cobequid 12.4 240
Cumberland 10.9 90
Shepody 10 115
India Gulf of Kutch 5 170
Gulf of Khambat 7 1 970
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Corea (Rep.) Garolim 4.7 100
UK Severn 7 520
Mersey 6.5 61
Duddon 5.6 20
Wyre 6 5.8
Conwy 5.2 5.5
USA Knik Arm 7.5 -
Turnagain Arm 7.5 -
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Ejemplo de Mareomotrices
La primera central
mareomotriz fue la de
Rance, en Francia.
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CENTRAL DE KISLAYA. (KISLOGUBSKAYA)
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CENTRAL DE LA BAHÍA DE FUNDY
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Impacto Ambiental y Desventajas
Entre los daños ambientales que puede
tener una mareomotriz están:
• La acumulación de sedimentos.
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• Energía liberada por el agua de mar en sus
movimientos de ascenso y descenso de las mareas
(flujo y reflujo) es transformada en energía eléctrica
en la centrales mareomotrices.
• El sistema consiste en aprisionar el agua en el
momento de la alta marea y liberarla, obligándola a
pasar por las turbinas durante la bajamar. Sus
movimientos hacen que también se muevan las
turbinas de unos generadores de corrientes
situados junto a los conductos por los que circula el
agua.
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Orígenes de la energía mareomotriz
En la antigüedad se usaban molinos de marea egipcios. Su
desarrollo histórico fue parecido al de los molinos hidráulicos:
en el siglo XIII ya funcionaban algunas ruedas maremotrices.
En Inglaterra y en el siglo XVIII aparecen varias instalaciones
para moler grano y especias tanto en Francia como en EE.UU.
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APROVECHAMIENTO DE LA
ENERGIA DE LAS MAREAS
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• Las mareas son oscilaciones periódicas del nivel del
mar. Es difícil darse cuenta de este fenómeno lejos
de las costas, pero cerca de éstas se materializan, se
hacen patentes por los vastos espacios que
periódicamente el mar deja al descubierto y cubre
de nuevo.
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• Este movimiento de ascenso y descenso de las
aguas del mar se produce por las acciones atractivas
del Sol y de la Luna.
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• Flujo.- subida de las aguas.
• Reflujo.- descenso de las aguas.
• Pleamar.- máxima elevación de flujo.
• Bajamar.- momento máximo de reflujo.
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• La amplitud de la marea en el mar muerto es de solo
20 a 40 cm.
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• En el océano atlántico se registran mayores mareas
que en el océano pacifico.
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• Bernard Forest de Bélidor, profesor en la escuela de
Artillería de La Fère (Francia), fue el primero que
estudió el problema del aprovechamiento de la
energía cinética de las mareas, y previó un sistema
que permitía un funcionamiento continuo de dicha
energía, empleando para ello dos cuencas o
receptáculos conjugados.
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Esquema de una central mareomotriz
27
Principio de funcionamiento
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• El tipo de turbina mas utilizada en este tipo de
central mareomotriz es la de bulbo por su
capacidad para aprovechar pequeños saltos pero de
gran caudal.
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• Estuario de Rance (Francia) en donde se registran
amplitud de mareas de hasta 13.5 metros.
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Ventajas
• Auto renovable. Su obtención es infinita y
siempre se usa la misma materia prima sin
consumirse.
• No contaminante. Solo usa la energía cinética
como obtención de energía por lo que no
tiene emisiones.
• Silenciosa. No produce mas sonido que el que
hace el movimiento de la materia prima que
es el mismo que comúnmente.
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• Bajo costo de materia prima. No requiere mas
materia prima que el agua que pasa por estas por
lo que no tiene costo.
• No concentra población. No requiere de muchos
personas para operar las centrales.
• Disponible en cualquier clima y época del año. La
situación del clima y la época no cambia la marea
por lo que funciona de igual manera.
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Desventajas
• Impacto visual y estructural sobre el paisaje
costero. La central requiere una cortina lo cual
hace que no se vea estético.
• Localización puntual. Para el mejor
aprovechamiento de las mareas se requiere que
las centrales se pongan en lugares específicos.
• Dependiente de la amplitud de la marea. Depende
100% de la marea, que tanto suba o baje.
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• Traslado de energía muy costoso. Es muy
costoso trasladar la energía generada a las
poblaciones o ciudades.
• Efecto negativo sobre la flora y fauna. Los
diques no permiten pasar el agua haciendo
que esta se estanque y no llegue a alimentar
la flora y fauna del medio.
• Limitada. La energía generada se limita a un
máximo que es la que la marea puede
generar, por lo que mas que eso no puede ser
generado por este medio
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Ubicación
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Centrales Mareomotrices en Operación
Capacidad
Estación País Ubicación Com
(MW)
Rance Tidal Power
240 Francia Rance River 1966
Station
Annapolis Royal
20 Canadá Annapolis River 1984
Generating Station
Wuyantou, la ciudad
Jiangxia Tidal Power de Wenling,
3.2 China 1972
Station provincia de
Zhejiang, China.
Kislaya Guba Tidal
1.7 Russia Kislaya Guba, Russia 1968
Power Station
Uldolmok Tidal Power Korea del
1.0 Uldolmok 2009
Station sur
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Central Mareomotriz de Rance
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Estación Generadora de Annapolis Royal
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Central Mareomotriz de Jiangxia
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Central Mareomotriz de Kislaya Guba
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Futuro de la Energía Maremotriz
• Los avances actuales de la técnica, el
acelerado crecimiento de la demanda
energética mundial y el constante incremento
en el precio de los combustibles son factores
primordiales que achican cada vez más la
brecha entre los costos de generación
mareomotriz y los de las fuentes
convencionales de generación de energía.
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• Se ha cifrado el potencial aprovechable de la
energía maremotriz en todo el mundo en
unos 15 000 MW
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Proyecto “Wabe Hub”
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• El proyecto consiste en cuatro centrales
interconectadas para aprovechar la energía
de las olas y convertirla en energía eléctrica
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Energía Maremotérmica
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• Se basa en la explotación de la diferencia
de temperaturas en los océanos. La
diferencia de temperatura en ciertas
partes del océano como laz zonas
tropicales, oscila en torno a los 20 grados
entre la superficie y los 100 metros de
profundidad. En zonas árticas y antárticas
estas diferencias pueden llegar a ser
mayores, pero se necesitan instalaciones
que intercambien el agua a mayor
profundidad, llegando a alcanzar los 1000
metros.
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Zonas térmicamente favorables
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ENERGIA AZUL
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•En los PAISES BAJOS, más de 3300 m³ de agua dulce por
segundo desembocan en el mar como promedio.
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ENERGÍA UNDIMOTRIZ
O ENERGÍA DE LAS OLAS DE MAR
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¿Qué es la
energía
undimotriz?
La energía
Undimotriz es
la energía
producida por
el
movimiento
de las olas.
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OLAS
Las partículas de agua
• Son formadas por el
se mueven describiendo
arrastre generado por la
círculos, por lo que la ola
fricción entre el viento y la
transporta energía tanto en
superficie del agua.
la superficie como en
• Cuanto mas crece la capas más profundas.
altura de la ola, mayor su
capacidad de extraer energía
del viento.
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Las partículas de agua se mueven describiendo
círculos, por lo que la ola transporta energía tanto
en la superficie como en capas más profundas.
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Una de las propiedades características de las olas es su
capacidad de desplazarse a grandes distancias
prácticamente sin pérdida de energía, por ello la
energía en cualquier parte del océano acaba en el
borde continental. De este modo la energía se
concentra en las costas
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Cuando la ola llega a aguas de baja profundidad,
el fondo la va frenando de abajo hacia arriba. En
las olas siguientes la distancia entre crestas se
reduce progresivamente, la cima avanza más
rápido que la base, se forma una muralla y
posteriormente rompe sobra la playa.
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Energía media de olas kW/m(de frente de ola)
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La energía de las olas se concentra en las costas del mundo, que61
totalizan 336 000 Km. de longitud.
• Se ha calculado que una
onda de 7,50 metros de
altura sobre el nivel de las
aguas tranquilas y de 150
metros de longitud de
onda, propagándose con
una velocidad de 15 m/s
(4,16 Km/h), desarrolla
una potencia de 514 849,3
Watts o 515 kW por metro
lineal de cresta
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¿CÓMO FUNCIONA?
Se pueden aprovechar 3 fenómenos:
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Toda la energía renovable (excepto la energía de las mareas y
la geotérmica) viene del Sol. El Sol irradia 174,423,000,000,000
kw/hora de energía a la Tierra. Es decir, en una hora la Tierra
recibe 1.74 x 10^17 watts de energía.
Aproximadamente entre el 1 y el 2 por ciento, la energía
que proviene del sol es convertida en viento.
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Relación entre el oleaje y la velocidad del viento
Velocidad
Oleaje Viento (m/seg)
Liso Tranquilo 0 - 0.5
Rizado Brisa leve 1.5 - 3.5
Suave Brisa suave 3.5 - 5.5
Leve Brisa moderada 5.5 - 8.0
Moderado Brisa fresca 8.0 - 10.5
Fuerte Ventarrón 12.0 - 20.0
Borrascoso Tormenta 25.0 - 30.0
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• La energía que desarrollan las ondas es
enorme y proporcional a las masas de aguas
que oscilan y a la amplitud de oscilación.
• Esta energía se descompone en dos partes, las
cuales, prácticamente, son iguales: una
energía potencial, la cual provoca la
deformación de la superficie del mar, y una
energía cinética o de movimiento
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FORMAS DE GENERACION
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COLUMNA OSCILANTE DE AGUA
- Convertidor noruego
Kvaerner, construido en Bergen
en 1985.
- Tubo hueco de hormigón, de
diez metros de largo, dispuesto
verticalmente en el hueco de
un acantilado.
- Las olas penetran por la parte
inferior del cilindro y desplazan
hacia arriba la columna de aire,
lo que impulsa una turbina
instalada en el extremo
superior del tubo.
- Esta central tiene una
potencia de 500 KW y abastece
a una aldea de 50 casas. 69
PLEAMIS
Es un conjunto de cilindros semi-sumergidos, unidos por
bisagras.
Diseñado para aguas de 50-70m de profundidad.
Esta hecho para soportar las inclemencias del mar, con el
mínimo de mantenimiento posible.
Tres unidades independientes de generación de 250 kW
c/u.
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• CARACTERISTICAS:
• 150 m de largo.
• 3.5 m de ancho.
• 700 toneladas.
• Anclada al lecho marino.
• Conectada a la red por un cable marino.
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Un cilindro hidráulico interior comprime
un fluido que, a su vez, hace girar un
generador.
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EMPUJE DE LAS OLAS
WAVE DRAGON (El dragón de las olas)
Dispositivo flotante grande, diseñado para capturar y concentrar olas.
• Las olas suben
una rampa a depósito elevado mediante los brazos de la plataforma, allí el agua
recogida hará girar las turbinas instaladas.
La rotación de las turbinas genera la electricidad.
En las costas de Nissum Bredning, Dinamarca, desde 2004
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CARACTERÍSTICAS
• 237 Toneladas.
• Brazos 58 m de largo.
• Hace uso de tecnología madura (turbinas)
• No tiene piezas móviles, obtiene energía al convertir energía
potencial.
• Se instala en aguas profundas (+40m) para aprovechar más la
energía de las olas antes de que se pierda cerca de la zona
costera.
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DESVENTAJAS
• Grandes costos de mantenimiento,
reparación e instalación.
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El fenómeno undimotriz se puede aprovechar en la superficie marina (movimiento
ondular) o en la costa (choque contra la costa).
El Instituto de Ingenieros Mecánicos de Gran Bretaña elaboró un mapa global donde expresa
los valores de la energía undimotriz en forma de potencia por unidad lineal, allí se puede
apreciar el extraordinario potencial latente en el litoral marítimo sudamericano, datos
manifestados van de los 30 a 100 kW por cada metro de ola. En la figura se indica el mapa
mundial de energía expresada en kW por cada metro de frente de onda.
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El agua resulta ser un vector energético extraordinario, se lo conoce
por la capacidad de almacenamiento de la energía (este tema es
reconocido a partir de los emprendimientos hidroeléctricos); la
energía posible de ser aprovechada es superior a las otras
alternativas renovables de mayor difusión; esto se debe a que la
densidad del agua es muy superior al aire (835 veces mayor)
El cuadro nos
Fuente Potencia por cada unidad indica que la
energética de superficie (W/m2) energía undimotriz
resulta 5 veces más
Biomasa [7] 0,6 concentrada que la
energía eólica y 30
Solar [8] 200 veces más
Eólica [8] 400 a 600 concentrada de la
energía solar
Undimotriz [8] 2.000 a 3.000
Cuadro comparativo de la potencia por unidad de superficie de las energías
renovables más utilizadas con respecto a la energía undimotriz
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EJEMPLO Y CASO PARTICULAR. SUR DE ARGENTINA
El litoral marítimo tiene una longitud de 5.087 km, su superficie es de 2.800.000 km2 cuenta
con una plataforma que ensancha hacia el sur.
Una de las fortalezas de este proyecto es la presencia constante del viento en el mar austral,
generando el fenómeno de manera regular y con buena intensidad. Por otro lado, de no
registrarse acción del viento en la región de captación, se podría verificar la presencia de
ondas provenientes de regiones lejanas.
Los antecedentes internacionales indican que la tecnología actual tiene una limitación
técnica de captación de ondas que van de 0,5 a 2,5 m. de altura. En Argentina la altura de
las ondas va desde 1 hasta 2 m dependiendo de la región a analizar, al sur mayor altura de
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Cálculo de Energía y Potencia
Se puede deducir la potencia de las olas por unidad de tiempo que atraviesa una
distancia del frente de onda ‘y’ tal como se expresa en la Ecuación (1) donde T es el
periodo o tiempo transcurrido entre cresta y cresta de las olas.
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Por ejemplo: En el caso que llegue un tren de olas de 2 metros de altura (H = 2 m) con un
periodo de 20 segundos (T = 10 seg) tendríamos una potencia por cada metro de frente de
onda (kW/metro) = 1 , 96 (kg/ms4) x (2 m)2 x 10 (seg) = 78,4 kW/metro de onda
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Considerando que una lámpara tradicional de buena iluminación necesita de una
potencia de 100 W, el equipo puede suministrar a 300 lámparas. Si fueran de bajo
consumo, con una potencia de 20 W y tienen la capacidad lumínica de 100 W
serían 1.200 lámparas que se pondrían en funcionamiento.
Como comentábamos en los objetivos, nuestra idea es crear parques acuáticos, por
ende, teniendo en cuenta lo que cada equipo puede generar, podemos suministrar
energía eléctrica a 5.000 casas, con un total de 200 boyas.
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EJEMPLO 2. autor. Ing. Alberto Pacci
Esbozar una planta Undimotriz de aprovechamiento de la
energía marina, por el principio de rampa en la zona más
favorable de Sudamérica (Ubicar las coordenadas y vista
satelital)
a.- Calcular la potencia de la planta diseñada
b.- Calcular la energía total producida en Megajoules en un año
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Ejemplo de resolución:
Existen múltiples sistemas para aprovechar la energía de las olas, se pide elegir un sistema poco
desarrollado pero con muy aceptables condiciones para su funcionamiento y mantenimiento
confiables: la rampa.
Conceptos básicos:
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Despreciando el rozamiento en la rampa, también la resistencia del aire, se quiere captar la
energía de las olas en una zona elegida.
Para θ= 32° entonces: L = H / tan θ
Ubicación de la planta
undimotriz tipo rampa
en la zona sur de Chile
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PLANTA MAREOMOTRIZ
EJEMPLO 1
Determine los parámetros de diseño para una planta mareomotriz en una
zona costera de Sudamérica más favorable a elegir, considerando:
Eficiencia efectiva del sistema mareomotriz de generación de energía
eléctrica, transformación y transferencia de energía mecánica - eléctrica
(sólo en reflujo) de un 20%
Las coordenadas de la vista satelital de la zona de represa
Calcular la potencia de la planta diseñada, si el tiempo de desfogue o
evacuación del dique es de 1 hora
Calcular la energía total producida en Megajoules en un año
Asumiendo el precio del MWh a $ 80 USD, calcular el capital generado por la
planta al cabo de un año de funcionamiento.
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funcionamiento.
Ejemplo de resolución :
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RESOLUCIÓN
Se eligió un lugar en el sur de Quilca, Perú con h = 6 m. Hay que considerar que a los bordes de
la planta se tenga la altura de ribera necesaria para posibilitar el almacenamiento de agua
según el valor dado a marea alta. También que esté libre de poblaciones o instalaciones
portuarias.
Ubicación de
una planta
mareomotriz
al sur de
Quilca, Perú
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Las coordenadas de la zona elegida (leídas de la línea inferior derecha del cuadro satelital) son:
16°45´30.88´´S , 72°22´39.45´´
Según la vista satelital cada unidad longitudinal es de 105,5 m lo cual la hacer la cuadrícula de la
zona elegida, se conforman unidades de área de 11 130,25 m2. Contando el número de
unidades de áreas incluidas dentro del perímetro de la represa se tiene un total aproximado de
17,5 unidades de área y si c/u equivale a 11 130,25 m2 se tendría un área total A aproximada de
17,5 x 11 130,25 m2 = 194 779,4 m2.
Para determinar el volumen V de agua acumulada en la represa se multiplicará esta área por la
altura de la marea h = 6 m pues aproximadamente esta será la altura del agua represada.
V = A x h = 194 779,4 m2 x 6 m = 1 168 676,4 m3. Esa es la cantidad de agua que deberá “caer” h
= 6 m de altura, convirtiendo su energía potencial Epot en energía eléctrica a través de las
turbinas y generador eléctrico de la planta.
Podemos hacer un cálculo más exacto de la energía que se genera durante el desembalse
Fig. 4 Esquema de desembalse de agua del dique
Para nuestro caso: δmar= 1 020 kg/m3, h0 = 6 m, g = 9,8 m/s2, A = 194 779,4 m2
Como la eficiencia de la planta es de sólo 20 % entonces la Energía útil será: 20% de 3,44x1010
Joules = 6 880´000 000
97
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Normalmente en plantas de energía la energía se expresa en MWh.
Si se sabe que 3,6 x 106 Joules = 1 kWh = 10-3 MWh -----> 1 MWh = 3,6 x 109 J
Convertimos: 6 880´000 000 J x 1 MWh/ 3,6x109 J = 1,91 MWh = Eu que sería la energía útil ya
convertible a eléctrica que se obtendría cada día (24 horas)
Si queremos desalojar todo el volumen de agua en t = 1 hora (3600 s), la potencia máxima sería:
100