En los últimos años, los generadores eléctricos autónomos de inducción (SEIG) alimentados por máquinas hidroeléctricas de pequeña escala (MHS) han sido objeto de estudio debido a su capacidad de generar energía a bajo costo y de manera eficiente. La propuesta de nuevos esquemas de excitación con capacitores ha mostrado avances importantes en la mejora de la regulación de voltaje y en la reducción de desequilibrios de corriente, problemas comunes en sistemas de generación de energía con SEIG. A pesar de los logros, aún persisten retos técnicos en la implementación práctica de estos sistemas.

Uno de los principales enfoques de investigación en este campo ha sido la propuesta de esquemas de excitación mediante bancos de capacitores conectados en diferentes configuraciones para alimentar cargas resistivas simples a partir de SEIG trifásicos. Un trabajo destacado presenta una conexión modificada de tres capacitores para suministrar carga resistiva monofásica desde un SEIG trifásico. Este esquema intenta minimizar el desequilibrio de corriente en el estator bajo la variabilidad de la velocidad de la máquina, una condición que afecta la eficiencia operativa del generador. En otras investigaciones, como la de [29], se introdujo una topología basada en dos capacitores que conecta un SEIG trifásico de configuración delta para alimentar cargas resistivas. Un capacitor se conecta a una fase, mientras que el otro se conecta en paralelo con la carga a otra fase. Este enfoque mostró que la capacidad del capacitor paralelo a la carga es casi la mitad de la otra, lo que contribuye a una mejora en la regulación de voltaje.

Entre 2012 y 2021, varios otros esquemas de excitación con capacitores (CET) fueron propuestos y estudiados, con el objetivo de optimizar el suministro de cargas monofásicas. Entre estos, destacan los trabajos que modificaron las topologías previas para mejorar la regulación de voltaje y la distribución de la corriente entre las fases del SEIG, lo que es crucial para minimizar la pérdida de rotor y mejorar la estabilidad general del sistema. Sin embargo, aunque estos avances son importantes, la mayoría de los esquemas existentes aún enfrentan ciertos desafíos relacionados con el desequilibrio de corriente y voltaje entre las fases, lo que puede generar una mayor pérdida de energía y un funcionamiento ineficiente de la máquina.

El desafío principal en los sistemas actuales sigue siendo el desequilibrio entre las tensiones de fase y las corrientes del estator en los SEIG alimentados por excitación capacitiva. Este desequilibrio provoca pulsaciones extremas en el par de la máquina, lo que incrementa la pérdida de rotor debido al factor de flujo en retroceso. Esto, a su vez, puede generar un sobrecalentamiento del generador y forzar a reducir la carga del SEIG, lo cual afecta la eficiencia global del sistema. Para superar estos problemas, es necesario desarrollar un CET de bajo costo que no solo sea capaz de alimentar cargas monofásicas desde un SEIG trifásico, sino que también minimice estos efectos indeseables.

El capítulo presente propone un nuevo CET para un SEIG trifásico de 2.2 kW cuya configuración de estator es delta, y que es excitado mediante un banco de capacitores configurado en estrella. Este esquema tiene como objetivo alimentar una carga resistiva monofásica de manera eficiente. El análisis en estado estacionario del CET propuesto se ha realizado utilizando la teoría de circuitos basada en dos puertos, junto con un análisis de componentes simétricos para erradicar el componente de secuencia cero. De este modo, se logra mantener el equilibrio de voltajes de fase y corrientes de estator de manera más efectiva que en los esquemas anteriores.

Uno de los capacitores en la configuración en estrella se mantiene fijo para proporcionar una fuente constante de potencia reactiva, mientras que los valores de los otros dos capacitores se ajustan dependiendo de la carga del SEIG y de su velocidad de rotación, con el objetivo de balancear completamente las corrientes y tensiones en el sistema. Los resultados obtenidos a partir de la resolución de las ecuaciones no lineales que describen este circuito muestran que, al operar el SEIG a una velocidad normal de 1500 rpm y con una carga del 55%, se logra una mejora significativa en la regulación de voltaje y un completo balance de las corrientes y voltajes de fase.

Es importante entender que este enfoque no solo busca mejorar la eficiencia de los generadores SEIG en condiciones de carga monofásica, sino también optimizar la sostenibilidad de la operación al reducir el impacto de las fluctuaciones de velocidad en el sistema. La mejora en la regulación de voltaje tiene un efecto directo sobre la estabilidad del sistema, lo que a su vez contribuye a una mayor vida útil del generador y una menor necesidad de mantenimiento.

Además, se debe tener en cuenta que el sistema propuesto también se evalúa desde una perspectiva práctica, considerando la facilidad de implementación de estos esquemas de excitación y su bajo costo, lo cual es clave en aplicaciones de energía renovable a pequeña escala. La integración de controladores de bajo costo, como los basados en microcontroladores, también podría ser un avance importante para ajustar dinámicamente los valores de los capacitores en función de las condiciones de carga y velocidad, permitiendo una mayor flexibilidad y eficiencia operativa.

¿Cómo mejorar la eficiencia en la generación de energía a partir de biomasa?

La generación de energía mediante biomasa ha experimentado avances tecnológicos significativos que han permitido optimizar la eficiencia térmica y reducir las emisiones contaminantes. Uno de los desarrollos clave ha sido la adaptación de las plantas térmicas a ciclos Rankine mejorados, tanto subcríticos como supercríticos. El ciclo Rankine subcrítico, que opera a temperaturas y presiones moderadas, ha mostrado una eficiencia en el rango del 15–35%. En este contexto, una innovación tecnológica importante es la integración de la biomasa con el ciclo Rankine supercrítico, que mejora la eficiencia térmica en un 2–3% en comparación con los ciclos subcríticos, además de disminuir las emisiones contaminantes. Este ciclo supercrítico, que opera a temperaturas superiores a los 300 °C y presiones de hasta 250 bar, resulta especialmente ventajoso, aunque plantea retos adicionales, como el manejo de la corrosión y las cenizas.

En términos de mejora de eficiencia a bajas cargas, se han introducido ciclos ultra-supercríticos que operan a temperaturas de hasta 700 °C y presiones superiores a 300 bar. Estos ciclos, aunque principalmente utilizados en plantas de energía a carbón, también podrían tener aplicaciones en sistemas híbridos que combinan biomasa con fuentes renovables como la energía solar o eólica. La combinación de una planta de colectores solares parabólicos con un sistema de combustión de biomasa para la generación de vapor ha demostrado mejorar la eficiencia de los combustibles utilizados, lo que convierte a estos sistemas híbridos en una opción prometedora para la producción de energía más sostenible y flexible.

El aprovechamiento de las turbinas de vapor ha sido otro de los avances tecnológicos más notables en este campo. Con la mejora de la eficiencia, la flexibilidad y la sostenibilidad de estas turbinas, se ha facilitado la integración de biomasa en diversas plataformas energéticas a nivel mundial. Estas turbinas son componentes esenciales de los sistemas energéticos actuales, no solo para la producción de electricidad, sino también para la generación de calor, lo que permite maximizar el rendimiento y la rentabilidad de las plantas de energía térmica.

En un enfoque diferente, el uso combinado de gasificadores y motores de combustión interna (IC) ha sido una tecnología emergente en plantas de generación de energía de pequeña escala, especialmente en el contexto de sistemas de calefacción y generación combinada de calor y electricidad (CHP). Los motores IC son ideales para plantas de gasificación de biomasa debido a su bajo costo de capital, modularidad, fiabilidad y buena eficiencia a cargas parciales. La conversión de biomasa a syngas mediante un gasificador y su posterior uso en motores de encendido por chispa (SI) o en motores de encendido por compresión (CI) ha mostrado eficiencias de conversión de energía eléctrica de entre el 35% y el 45%. Este proceso también permite la recuperación de calor residual, que puede utilizarse para el secado de biomasa o para otros procesos de calefacción.

El sistema gasificador-motor IC se compone de varios componentes clave, como el alimentador de biomasa, el gasificador, el sistema de enfriamiento y limpieza de gas, el motor y el sistema de inyección de combustible gaseoso. A medida que el gasificador convierte la biomasa en syngas, el gas resultante pasa por un proceso de acondicionamiento antes de ser utilizado en el motor para generar electricidad o calor. Sin embargo, es crucial limpiar el syngas antes de introducirlo en el motor, utilizando tecnologías probadas como el método de lavado en húmedo, que elimina metales alcalinos, amoníaco, partículas y alquitranes. La eliminación de estos contaminantes es esencial para garantizar un funcionamiento eficiente y confiable del sistema.

Además, la ventaja del syngas frente a otros gases combustibles es su comportamiento superior en términos de detonación, gracias a la presencia de hidrógeno (H2) en su composición. El H2 aumenta la velocidad de llama laminar, lo que ayuda a prevenir los golpes de explosión en el motor. Sin embargo, el aumento de la temperatura de la llama debido al H2 también puede elevar la presión en los cilindros y generar emisiones más altas de NOx. En este sentido, la presencia de dióxido de carbono (CO2) en el syngas actúa como un regulador de la temperatura de la llama, ayudando a controlar las emisiones de NOx al reducir la temperatura de combustión. En general, los motores IC alimentados por syngas pueden lograr una eficiencia térmica mejorada y reducir las emisiones de gases contaminantes, lo que los convierte en una opción atractiva para sistemas energéticos sostenibles.

En India, la implementación de gasificadores en áreas rurales para la generación de energía ha crecido significativamente, con capacidades que van de los 20 a los 500 kW. Este enfoque no solo ha permitido satisfacer la demanda de energía a nivel local, sino que también ha impulsado el uso de tecnologías basadas en biomasa como una alternativa viable y sostenible a los combustibles fósiles. A pesar de las limitaciones en la disponibilidad de motores diseñados específicamente para syngas, se han adoptado medidas para optimizar el rendimiento del sistema mediante ajustes en el sistema de inyección de combustible, lo que garantiza una mejor adaptación de la tecnología.

La adopción de tecnologías híbridas, que combinan biomasa con otras fuentes renovables, puede ser una estrategia clave para mejorar la eficiencia global de la generación de energía a partir de biomasa. Estas soluciones ofrecen una mayor flexibilidad operativa, lo que permite adaptarse a las demandas cambiantes de energía mientras se mantiene un enfoque sostenible y de bajo impacto ambiental.

¿Cómo contribuye la biomasa de algas al desarrollo de productos de alto valor?

La actualización de biogás utilizando algas representa una de las áreas más prometedoras en la búsqueda de soluciones sostenibles para la generación de energía y la creación de productos de alto valor. Este proceso, que involucra la conversión de biogás en biometan, así como el uso de biomasa algal para obtener diversos subproductos, abre un abanico de posibilidades económicas y medioambientales significativas. Aunque las interacciones entre los compuestos orgánicos volátiles (COV) y los cultivos microalgales todavía son un área en estudio, los avances recientes sugieren que esta tecnología tiene un gran potencial.

El biometano, el producto estrella de este proceso de actualización fotobiológica del biogás, se obtiene mediante la eliminación meticulosa de dióxido de carbono del biogás. El resultado es un gas metano enriquecido, conocido como biomethano, que destaca como una fuente de energía renovable versátil y de gran valor. Esta conversión no solo ofrece una alternativa más limpia en términos de generación de electricidad, sino que también se perfila como un combustible alternativo para vehículos, lo que podría contribuir considerablemente a la reducción de las emisiones y a la promoción de un transporte más sostenible. Al ser una fuente local y renovable, el biomethano permite a las comunidades reducir su dependencia de los combustibles fósiles importados, aumentando así su seguridad energética y autonomía.

Más allá de sus beneficios ambientales, la integración de la producción de biomethano apoya la sostenibilidad energética y promueve una transición hacia fuentes de energía más limpias. Este proceso tiene el potencial de disminuir considerablemente las emisiones de gases de efecto invernadero, alineándose con los esfuerzos globales por mitigar el cambio climático y fortalecer las economías locales.

En cuanto a la biomasa algal generada durante este proceso, se presenta como un recurso altamente valioso que va más allá de su capacidad para producir energía. La biomasa de algas contiene una combinación excepcional de nutrientes, incluyendo proteínas, lípidos, carbohidratos y una variedad de compuestos esenciales. Su perfil nutricional es notable, ya que puede sustituir fuentes convencionales de proteínas como la carne, el pollo y los productos lácteos, ofreciendo una alternativa sostenible y respetuosa con el medio ambiente. Esta fuente de proteína vegetal es particularmente valiosa en regiones donde existen deficiencias nutricionales o donde la demanda de dietas ricas en proteínas es alta.

Además de las proteínas, las algas son ricas en ácidos grasos esenciales, como los omega-3 y omega-6, que desempeñan un papel crucial en la salud humana, especialmente en la función cerebral, la salud cardiovascular y la regulación del sistema inmunológico. Las algas también contienen vitaminas como la A, C y diversas vitaminas B, junto con minerales esenciales como hierro, calcio y magnesio. Estos nutrientes pueden ser utilizados para enriquecer productos alimenticios, garantizando dietas más equilibradas y completas, y también pueden ser incorporados en suplementos nutricionales funcionales que promuevan la salud inmunológica, la salud cardiovascular o la mejora cognitiva.

El uso de biomasa algal como suplemento en la alimentación animal, tanto en la ganadería como en la acuicultura, es otro campo prometedor. Los productos derivados de algas pueden mejorar la nutrición y la salud general de los animales, aumentando su crecimiento y rendimiento. Esta mejora en la calidad del alimento para animales contribuye a una producción de alimentos más eficiente y sostenible, minimizando el impacto ambiental de las industrias agroalimentarias.

La biomasa algal también se explora como una fuente potencial de biocombustibles, particularmente biodiesel y bioetanol. Los lípidos contenidos en las algas pueden ser extraídos y procesados para producir biodiesel, una alternativa energética más limpia en comparación con los combustibles fósiles. Los carbohidratos presentes en las algas, por su parte, ofrecen un material ideal para la producción de bioetanol a través de procesos de fermentación, lo que abre nuevas oportunidades en el campo de los combustibles renovables.

En el sector cosmético y farmacéutico, las algas presentan un recurso valioso debido a los compuestos bioactivos que contienen, como antioxidantes, pigmentos y enzimas, que pueden ser extraídos y utilizados en productos de cuidado de la piel y formulaciones terapéuticas. Esta versatilidad en los usos de las algas se extiende también a la industria de los bioplásticos, donde las algas ofrecen una alternativa ecológica a los plásticos convencionales derivados del petróleo. Los polímeros derivados de algas poseen una biodegradabilidad inherente, lo que los convierte en una solución prometedora frente al desafío global de los desechos plásticos.

Además de su utilización en biocombustibles y productos de consumo, el residuo de la biomasa resultante del proceso de digestión anaeróbica del biogás puede ser transformado en fertilizantes orgánicos ricos en nutrientes esenciales como nitrógeno, fósforo y potasio. Este fertilizante orgánico no solo mejora la salud del suelo, sino que también favorece un enfoque de economía circular, reduciendo el desperdicio y maximizando el uso de los recursos.

La integración de las algas en la producción de productos de valor agregado es una de las formas más prometedoras de avanzar hacia un futuro más sostenible. Este sistema no solo proporciona soluciones energéticas más limpias, sino que también abre una gama de productos alternativos que pueden contribuir significativamente al bienestar humano y ambiental. La adaptabilidad de las algas en diversas industrias, desde la energía hasta la alimentación y los bioplásticos, refuerza su potencial para ser un recurso fundamental en la transición hacia una economía más verde y sostenible.

¿Cómo optimizar los colectores solares híbridos para mejorar su eficiencia térmica y eléctrica?

El desarrollo y la mejora de colectores solares híbridos, que combinan la conversión de energía solar térmica y fotovoltaica (PVT), se han convertido en una de las áreas más prometedoras dentro de las energías renovables. Estos sistemas, al integrar tecnologías térmicas y fotovoltaicas en un solo dispositivo, permiten optimizar el uso del espacio y mejorar la eficiencia general en comparación con los sistemas tradicionales, donde las tecnologías térmica y fotovoltaica son independientes. Sin embargo, existen múltiples aspectos que deben ser considerados para garantizar su rendimiento máximo, desde la elección de los materiales hasta el diseño del sistema en sí.

Uno de los factores más críticos es el material del colector, que juega un papel fundamental en la transferencia de energía térmica hacia el medio calefactor. Para maximizar esta transferencia, el material debe tener una alta conductividad térmica y una baja capacidad calorífica, lo que permite que las reacciones térmicas sean rápidas y eficientes bajo condiciones operativas cambiantes. El cobre ha sido tradicionalmente el material preferido debido a sus excelentes propiedades térmicas, aunque en los últimos años, su alto costo ha impulsado el uso de materiales alternativos como el aluminio, que es más asequible y tiene una conductividad térmica aceptable, aunque menor que la del cobre.

En cuanto a la geometría de los canales del colector, se han realizado diversos estudios para determinar cuál ofrece el mejor rendimiento. Se compararon tres configuraciones principales: tubular, trapezoidal y rectangular. Cada una presenta ventajas y desventajas en función de factores como la flexibilidad del material, la simplicidad de la producción, y la eficiencia térmica y de transferencia de calor. El tipo de canal influye directamente en la facilidad de fabricación y en la cantidad de superficie de contacto entre el fluido térmico y la estructura del colector, lo que impacta en la eficiencia global del sistema.

Además, la protección del colector frente a las pérdidas térmicas es otro factor esencial. Los colectores pueden ser sin protección (sin vidrio, por ejemplo) o estar protegidos con una o más capas transparentes, como el vidrio. Aunque los colectores sin protección permiten una mayor radiación incidente, también sufren mayores pérdidas térmicas a través de la convección y la radiación. En cambio, el uso de una capa protectora de vidrio actúa como un filtro unidireccional, permitiendo el paso de la radiación en el espectro visible y bloqueando la radiación en el infrarrojo, lo que reduce las pérdidas térmicas. Sin embargo, los materiales plásticos como el policarbonato o el fluoruro de polivinilo pueden ser opciones viables, aunque tienden a degradarse térmica y mecánicamente con el tiempo.

El uso de recubrimientos de baja emisividad es otro tema de interés en la investigación. Estos recubrimientos, que se aplican sobre el vidrio o las superficies del colector, tienen como objetivo reducir las pérdidas térmicas por radiación. Materiales como el óxido de zinc, el óxido de indio o el óxido de estaño han mostrado beneficios en la mejora de la eficiencia térmica, aunque con algunas desventajas, como la posible pérdida en la eficiencia eléctrica del sistema. La introducción de capas de baja emisividad puede mejorar la producción térmica, pero a menudo con una ligera disminución de la eficiencia eléctrica.

Otro aspecto relevante en los sistemas híbridos es la conexión de la capa fotovoltaica con el colector térmico. Los adhesivos conductores térmicos son comúnmente utilizados para este propósito, pero pueden presentar el inconveniente de la formación de burbujas de aire, lo que disminuye la eficiencia de la transferencia de calor. Como alternativa, se ha propuesto la laminación de los componentes del sistema, donde el vidrio, la capa fotovoltaica, el aislamiento eléctrico y el colector térmico se integran en un solo componente. Esta técnica mejora la eficiencia térmica en un 10%, aunque presenta desafíos tecnológicos y problemas potenciales derivados de las diferencias en los coeficientes de expansión térmica de los materiales.

La optimización de otros parámetros también es crucial. El flujo del agente térmico, la distancia entre los tubos del colector, el tipo de aislamiento térmico y eléctrico, el ángulo de inclinación, y el espaciado de las celdas fotovoltaicas son variables que deben ajustarse para lograr un equilibrio entre la eficiencia térmica y eléctrica. Diversos estudios han demostrado que un ajuste adecuado de estos factores puede incrementar significativamente el rendimiento de un sistema PVT.

El comportamiento del consumidor de energía es otro factor que influye en la eficiencia de los sistemas solares térmicos. La curva de demanda diaria de agua caliente, que varía según el tipo de consumidor (doméstico, industrial, comercial), impacta directamente en la eficiencia del sistema. Por ejemplo, un estudio realizado en Sudáfrica mostró que las fluctuaciones en el consumo diario de agua caliente afectaban la eficiencia de los paneles solares térmicos. A medida que se comprende mejor este comportamiento, se puede diseñar sistemas más adaptados a las necesidades reales de los usuarios, optimizando la producción tanto térmica como eléctrica.

Es esencial comprender que, en el diseño de colectores solares híbridos, existe un delicado balance entre los distintos aspectos técnicos que afectan tanto la eficiencia térmica como eléctrica. La integración de tecnologías avanzadas, como materiales de cambio de fase (PCM) o la incorporación de recubrimientos de baja emisividad, requiere una atención cuidadosa a los detalles, ya que el rendimiento global depende de la interacción compleja entre estos elementos.

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