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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD DR. RAFAEL BELLOSO CHACÍN

VICERECTORADO INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO

PROGRAMA: INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS

ECOPARQUE AUTOSUSTENTABLE COMO ALTERNATIVA PARA EL ESPARCIMIENTO FAMILIAR EN EL DEPARTAMENTO DE LA GUAJIRA

COLOMBIANA Trabajo presentado como requisito para optar al grado académico de Magister Scientiarum

en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos

Autor (a): Ing. Ronald Redondo

CI-C: 91.516.033

Tutor (a) M.S.c. Kenneth E. Rosillón O

CI: V-19.216.499

Maracaibo, Julio 2.017

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ECOPARQUE AUTOSUSTENTABLE COMO ALTERNATIVA PARA EL ESPARCIMIENTO FAMILIAR EN EL DEPARTAMENTO DE LA GUAJIRA

COLOMBIANA

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VEREDICTO

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DEDICATORIA

A mi madre quien siempre ha estado ahí para apoyarme. A mis compañeros de maestría, que fueron un gran apoyo y en especial a Paola Ojeda.

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AGRADECIMIENTOS

Primero que todo gracias a Dios por darme la oportunidad de continuar mi formación académica, a mis profesores y asesores en este proceso. .

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ÍNDICE GENERAL

VEREDICTO III DEDICATORIA IV AGRADECIMIENTOS V INDICE GENERAL VI INDICE DE CUADROS IX INDICE DE FIGURAS X INDICE DE TABLAS XII RESUMEN XIV ABSTRACT XV INTRODUCCION 1

CAPITULO

I. El PROBLEMA 3 1. Planteamiento del problema 3 1.1. Formulación del problema 8 1.2. Objetivos de la investigación 8 1.2.1. Objetivo general 8 1.2.2. Objetivos específicos 9 1.3. Justificación de la investigación 9 1.4. Delimitación de la investigación 11

II. MARCO TEORICO 12 1. Antecedentes de la investigación 12 2. Bases Teóricas 20 2.1. Ecoparque autosustentable 21 2.1.1. tipos de energías renovables en un Ecoparque 22 2.1.1.1. energías alternativas convencionales 23 2.1.1.1.1. energía eólica 24 2.1.1.1.2. energía de la biomasa 25 2.1.1.1.3. energía solar 26 2.1.1.2. energías alternativas no convencionales 27 2.1.1.2.1. energías hibridas 28 2.1.1.2.2. energía piezoeléctrica 29 2.1.2. parámetros y requerimientos para un ecoparque

autosustentable

36 2.1.2.1. Requerimientos 2.1.2.1.1. agua

36 37

2.1.2.1.2. irradiación 38

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2.1.2.1.3. viento 39 2.1.2.1.4. cantidad de materia 39 2.1.2.1.5. cantidad de personas 40 2.1.2.2. parámetros de diseño 41 2.1.2.2.1. área de diseño 41 2.1.2.2.2. potencia eléctrica 42 2.1.2.2.3. potencia mecánica 43 2.1.2.2.4. deformación mecánica 44 2.1.2.2.5. esfuerzo mecánico 45 2.1.2.2.6. huella ecológica 48 2.1.3. Diseño de un ecoparque autosustentable como alternativa

para el esparcimiento familiar

49 2.1.3.1. estructura del ecoparque 50 2.1.3.1.1. áreas verdes 51 2.1.3.1.2. zoológico de contacto 52 2.1.3.2. diseño electromecánico 53 2.1.3.2.1. módulo eólico 54 2.1.3.2.2. modulo solar 57 2.1.1.1. inversor 70 2.1.3.2.3. módulo de biomasa 71 2.1.3.2.4. módulo de piezoelectricidad 80 2.1.3.3. diseño eléctrico 84 2.1.3.3.1. sistema de control 86 2.1.3.3.2. sistema de comunicación 87 2.1.4. selección de equipos e instrumentos de un ecoparque

autosustentable como alternativa para el esparcimiento familiar

88 2.1.4.1. equipos electromecánicos 89 2.1.4.1.1. turbina aerogeneradora 89 2.1.4.1.2. panel solar 91 2.1.4.1.3. celdas piezoeléctricas 91 2.1.4.1.4. baterías 93 2.1.4.1.5. inversores 94 2.1.4.2. equipos de la biomasa 95 2.1.4.2.1. biodigestores 95 2.1.4.2.2. conteiner 97 2.1.4.3. equipos de control 98 2.1.4.3.1. microcontroladores 99 2.1.4.3.2. reguladores de carga 100

3. Sistema de Variables 100

3.1. Definición nominal 101 3.2. Definición conceptual 101 3.3. Definición operacional 102

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III. MARCO METODOLÓGICO 104 1. Tipo de la investigación 104 2. Diseño de la investigación 106 3. Unidad de análisis 107 4. Técnicas e Instrumentos para la recolección de datos 108 5. Procedimientos de la investigación 109

IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACION 113 1. Fase I. evaluación de los tipos de energías renovables en un

ecoparque para el esparcimiento familiar del departamento de la guajira colombiana.

113 2. Fase II. determinación de los parámetros y requerimientos para

un ecoparque autosustentable como alternativa para el esparcimiento familiar en el departamento de la guajira colombiana.

116 3. Fase III. diseño del ecoparque 181 4. Fase IV. selección de los equipos para el sistema sustentable

del ecoparque

196 5. Fase V. validación del sistema automático en el ecoparque 206

CONCLUSIONES 232 RECOMENDACIONES 233 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 234 ANEXOS 236

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ÍNDICE DE CUADROS

Cuadro 1. Operacionalización de la variable 103 Cuadro 2 Formas de Energía a utilizar en el Ecoparque 117 Cuadro 3 Topología de la red en el ecoparque 188 Cuadro 4 Comparación de Lenguajes de Programación. 191

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Celda elemental piezoeléctrica 30 Figura 2. Efecto piezoeléctrico inverso. 31 Figura 3. Efecto piezoeléctrico directo. 32 Figura 4. Efecto piezoeléctrico inverso 33 Figura 5. Ilustración de la transformación de la energía eléctrica a mecánica

36

Figura 6. Fuerzas normales y cortantes en una sección de un elemento sometido a fuerzas externas.

46

Figura 7. Distribución de velocidades de Weibull. 54 Figura 8. Diferentes diseños de aerogeneradores. 56 Figura 9. Esquema de la planta piloto propuesta. 74 Figura 10. Ubicación geográfica del ecoparque “divino Niño” 118 Figura 11. Vista satelital del ecoparque a diseñar 120 Figura 12. Radiación solar en la zona norte de Colombia. 120 Figura 13. Promedio mensual de Radiación global en Riohacha. 122 Figura 14 Orientación y ángulo de inclinación óptimo del panel solar.

124

Figura 15. Posición y distancia entre paneles solares en superficies planas.

135

Figura 16. Datos promedio de velocidades de viento para el año 2016

137

Figura 17. Dirección del viento en la zona costera de Cartagena (Año 2012 a 2016)

138

Figura 18. Valores diarios de ln(v) graficados contra ln[ln(1+w(v)] a 30 m de altura. (Año 2016).

139

Figura 19. Ajuste de la distribución de Weibull en la zona costera de Riohacha a una altura de 30 m (Año 2016).

139

Figura 20. Ajuste de las dos distribución de Weibull en la zona costera de Riohacha a una altura de 30 metros (Año 2016).

141

Figura 21. Área A barrida por el rotor de diámetro D 144 Figura 22. Curva del aerogenerador seleccionado 148 Figura 23. TSR para aerogeneradores 149 Figura 24. Patinódromo 170 Figura 25. Vista superior distribución cuadrada de 5x5 cm de discos piezoeléctricos.

174

Figura 26. Ecoparque Divino Niño 181 Figura 27. Propuesta del ecoparque Divino Niño 182 Figura 28. Área de esparcimiento del ecoparque diseñado 183

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Figura 29. Área energética del ecoparque diseñado 184 Figura 30. Diseño del sistema de iluminación en el Patinódromo del ecoparque por baldosas piezoeléctricas

185

Figura 31. Vista aérea del diseño del sistema de iluminación en el Patinódromo del Ecoparque.

185

Figura 32. Celdas piezoeléctricas en el diseño del sistema de iluminación sustentable en el Patinódromo del ecoparque

186

Figura 33. Esquema eléctrico del sustento energético del ecoparque 187 Figura 34. Arquitectura de red del sistema automático propuesto para el ecoparque divino Niño

190

Figura 35. Diagrama de flujo lógico del sistema fotovoltaico y de respaldo en biomasa

193

Figura 36. Diagrama de flujo lógico del sistema eólico y de respaldo en biomasa

194

Figura 37. Diagrama de flujo lógico del sistema piezoeléctrico y de respaldo en biomasa

195

Figura 38. Sistema de carga de baterías del sistema fotovoltaico. 208 Figura 39. Sistema encendido para las tiendas departamentales y de iluminación externa.

208

Figura 40. Sistema de carga de baterías del sistema eólico 210 Figura 41. Sistema encendido de bombeo para las piscinas y alimentación de animales

210

Figura 42. Sistema de carga de baterías del sistema piezoeléctrico 212 Figura 43. Sistema encendido de iluminarias externas y zonas de recreación del parque

213

Figura 44. Diagrama de programación del sistema automático en el ecoparque

214

Figura 45. Condición de falla del sistema sustentable del ecoparque divino Niño

215

Figura 46. Mapa de Riohacha ubicación del ecoparque 217

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Resumen de las propiedades de los materiales piezoeléctricos

31

Tabla 2 Matriz de Evaluación Generación Primaria 114 Tabla 3 Matriz de Evaluación Generación de respaldo 115 Tabla 4 Ubicación geográfica del parque a recrear. 118 Tabla 5 Valores de Irradiación anual para el periodo 1 y 2 del año 2016

121

Tabla 6 Ángulos de inclinación propuestos para sistemas fijos 123 Tabla 7 Equipos en el ecoparque 125 Tabla 8 Parámetros de pérdidas 126 Tabla 9 Datos técnicos del panel solar fotovoltaico 128 Tabla 10 Características técnicas del banco de acumuladores 131 Tabla 11 Características técnicas del Regulador de Carga 133 Tabla 12 Características técnicas del Inversor. 134 Tabla 13 Parámetros distribución de mezcla de dos componentes de Weibull para el año 2016

140

Tabla 14 Error X2 y RMSE para el ajuste de las distribuciones de velocidad del viento, año 2016

142

Tabla 15 Estudio de la potencia eléctrica 143 Tabla 16 Potencial del aerogenerador a Seleccionar 145 Tabla 17 Potencial del aerogenerador a Seleccionar 147 Tabla 18 Características técnicas del banco de acumuladores. 152 Tabla 19 Características técnicas del Regulador de Carga. 154 Tabla 20 Características técnicas del Inversor 156 Tabla 21 Excretas 175 Tabla 22 Excretas Totales 176 Tabla 23 biogás Total 176 Tabla 24 Relación agua-biogás 177 Tabla 25Tiempo de retención hidráulico 178 Tabla 26 Volumen del biodigestor 178 Tabla 27 Biodigestor requerido 179 Tabla 28 Red de comunicaciones a seleccionar en el ecoparque 189 Tabla 29 Matriz de selección de Sistemas fotovoltaico 196 Tabla 30 Matriz de selección de Aerogeneradores 197 Tabla 31 Selección del Acumulador 199

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Tabla 32 Matriz de selección de controladores 200 Tabla 33Matriz de selección del elemento piezoeléctrico 201 Tabla 34Cuadro selectivo del regulador de carga 203 Tabla 35 Cuadro selectivo del biodigestor 204 Tabla 36 Cuadro selectivo del motogenerador 205 Tabla 37 Equipos, Materiales e Instrumentos Auxiliares 206 Tabla 38 Materia prima: Año 1 219 Tabla 39 Materia prima: Año 2 219 Tabla 40 Materia prima: Año 3 219 Tabla 41 SUMINISTROS (Consumibles) 220 Tabla 42 Mobiliario y equipos 221 Tabla 43 RRHH (NOMINA DE PERSONAL) 222 Tabla 44 Plan de inversión 224 Tabla 45 Ingresos proyectados 226 Tabla 46 Egresos proyectados 226 Tabla 47 Estados de resultados proyectados 227 Tabla 48 Flujos de caja proyectada 228 Tabla 49 Descripción de los flujos netos de caja 229

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REDONDO RONALD y ROSILLÓN, KENNETH Ecoparque autosustentable como alternativa para el esparcimiento familiar en el departamento de la guajira colombiana. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Programa de Maestría en Ingeniería de Control y Automatización de procesos. Maracaibo, Estado Zulia, 2017.

RESUMEN La presente investigación tuvo como objetivo principal proponer un ecoparque autosustentable como alternativa para el esparcimiento familiar en el departamento de la guajira colombiana. La delimitación del estudio se abordó en el parque de esparcimiento familiar Divino Niño del departamento de la guajira, cuidad de Riohacha. La misma estuvo sustentada teóricamente por Creus (2011), Harper (2016) y García (2009). La metodología utilizada en la investigación fue Proyectiva de diseño de campo, no experimental. La investigación estuvo conformada por cinco (5) fases. Que abarcaron desde la caracterización de energías alternativas y la consecución de sus parámetros pasando por el diseño del sistema sustentable de manera eléctrica para reducir el consumo conectado a la red y volver al parque autónomo en su producción intrínseca de energía. Para finalizar con la validación en el comportamiento automático del sistema sustentable. Como resultados se obtuvieron características interesantes en cuanto a los parámetros mixtos para poder conjugar el sistema hibrido diseñado para la alimentación en cuanto a cargas primarias y elementales para el funcionamiento del ecoparque Divino Niño, tomando en cuenta la automatización que esto implica proponiendo un sistema ecológicamente aceptable, económicamente factible y socialmente inclusivo contribuyendo al desarrollo sustentable colombiano, abarcando aristas como la cría de animales a través del zoológico de contacto como herramienta de atracción principal, además del cúmulo de elementos energéticos que dan vistosidad al parque. Palabras claves: Sistema sustentable, Ecoparque, zoológico, consumo energético.

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REDONDO RONALD Y ROSILLÓN, KENNETH. Ecopak self-sustaining as an alternative for family recreation in the department of the Colombian Guajira. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Master's program in Control Engineering and Automation. Estado Zulia, 2017

ABSTRACT

The present research had as main objective to propose a self - sustaining ecopark as an alternative for family recreation in the department of the Colombian Guajira. The delimitation of the study was approached in the Divino Niño family recreation park in the department of Guajira, city of Riohacha. It was supported theoretically by Creus (2011), Harper (2016) and Garcia (2009). The methodology used in the research was projective field design, not experimental. The investigation consisted of five (5) phases. They covered from the characterization of alternative energies and the achievement of their parameters through the design of the sustainable system in an electric way to reduce consumption connected to the grid and return to the autonomous park in its intrinsic energy production. To conclude with the validation in the automatic behavior of the sustainable system. As a result, interesting characteristics were obtained in terms of the mixed parameters to be able to combine the hybrid system designed for supply in terms of primary and elemental loads for the operation of the Divino Niño ecopark, taking into account the automation that this implies by proposing an ecologically acceptable system, Economically feasible and socially inclusive, contributing to the Colombian sustainable development, including the animal husbandry through the contact zoo as a main attraction tool, as well as the quantity of energetic elements that make the park more attractive. Keywords: Sustainable system, Ecopark, zoo, energy consumption...

INTRODUCCIÓN

Los ecoparques son centros especializados en la recogida, selección y

recuperación de todos aquellos desechos que generamos en nuestros

hogares, que no podemos reciclar en ninguno de los contenedores que

encontramos en nuestras ciudades. Estos ecoparques son de acceso libre y

gratuito, y en ellos encontramos diferentes contenedores para depositar

nuestros residuos separándolos correctamente para su posterior reciclaje.

Por norma general encontraremos contenedores comunes como los de

plásticos, papel y cartón, y vidrio, aunque también otros más específicos

dedicados a depositar baterías y pilas, escombros, muebles, medicamentos,

electrodomésticos o aceites.

Los ecoparques son centros avanzados de recogida, selección y reciclado

de los residuos sólidos que generamos. Depositarlos en el ecoparque,

supone un mínimo esfuerzo para nosotros, pero causa un grandísimo

beneficio en el entorno natural, ya que podemos reciclar muchos materiales y

evitar el vertido de otros tóxicos de manera descontrolada. Además, tiene un

amplio horario de funcionamiento para facilitar su uso por parte de todos los

vecinos de las comunidades, permitiendo deshacerse de los elementos que

no podamos depositar en los contenedores de las calles en cualquier ocasión

El interés por el desarrollo de las energías renovables en el ámbito social y

político, demanda en estos momentos un alto grado de información y

comunicación para, a través de un mayor conocimiento de su situación actual

y las perspectivas de futuro, emprender acciones para promover su

utilización. Se denomina energías renovables a aquellas fuentes energéticas

basadas en la utilización del sol, el viento, el agua o la biomasa vegetal o

animal. No utilizan, pues, como las convencionales, combustibles fósiles,

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sino recursos capaces de renovarse ilimitadamente. Su impacto ambiental en

comparación con aquellas es muy escaso, pues además de no emplear esos

recursos finitos, no generan contaminantes. A veces se las llama, también,

especiales o alternativas, indicando en este último caso su papel de cara a

un modelo energético y social

Se debe potenciar el uso de las energías renovables ya que en los

próximos cincuenta años, los mejores recursos petrolíferos y de gas natural

estarán casi totalmente agotados, encareciendo y agravando la crisis

energética y ambiental. Las energías renovables, a lo largo de la historia

hasta bien entrado el siglo XIX, han cubierto la práctica totalidad de las

necesidades energéticas del hombre. Sólo en los últimos cien años han sido

superadas, primero por el empleo del carbón, y a partir de 1950 por el

petróleo y en menor medida por el gas natural; la energía nuclear cubre una

parte insignificante del consumo mundial, y a pesar de algunas previsiones

optimistas, su papel será siempre marginal.

Es por ello que esta investigación plantea un ecoparque sustentable para

el disfrute de los ciudadanos en el departamento de la Guajira, Riohacha

Colombia. La misma está sustentada por cuatro capítulos bien estructurados:

El primer capítulo donde se plantea la problemática, un segundo objetivo con

antecedentes y la fundamentación teórica necesaria para el establecimiento

de resultados. Un capitulo tres, donde se localiza la metodología,

procedimientos y fases a establecer en el diseño de un sistema de control

avanzado y el capítulo IV que contiene los resultados de la presente

investigación. También se exponen las conclusiones que arrojó esta

proyección, recomendaciones y no menos importante: Los anexos y las

referencias bibliográficas respectivamente.