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Energía Undimotriz

Pasa lince y aprende , y si no eres taringuero pero queres la info para un trabajo o simplemente aprender tambien pasa y si tienes tiempo comenta.

También incluyo al efecto de coriolis por si te interesa y consigo el origen del viento

Esta investigación la hicé para la universidad con el motivo de conocer la parte de la física que implica este fenómeno, ahora quiero compartir esta información para que valga la pena el desvelo y para que más gente le interese saber sobre este medio de energía renovable que nos brinda la el planeta.


La Energía Undimotriz



Marco teórico

La energía undimotriz es la aquella que proviene de la fuerza mecánica producida por el oleaje marino, y que puede ser transformada en energía eléctrica gracias a tecnologías de reciente creación que no contaminan.

La energía undimotriz permite la obtención energía eléctrica a partir de energía mecánica generada por el movimiento de las olas. Es uno de los tipos de energías renovables más estudiada actualmente, y presenta enormes ventajas frente a otras energías renovables debido a que en ella se presenta una mayor facilidad para predecir condiciones óptimas que permitan la mayor eficiencia en sus procesos debido a que es más fácil llegar a predecir condiciones óptimas de oleaje, que condiciones óptimas en vientos para obtener energía eólica, ya que su variabilidad es menor.


Conceptos

El origen de las olas depende de varios factores que a su vez estos dependen de otros; es importante tener claro el origen de las olas para poder explicar cómo su mecanismo influye para el sistema encargado de transformar la energía.

Necesitas saber el origen y para eso necesitas brevemente saber unos conceptos.

Movimiento ondulatorio: Es la propagación de una onda por un medio material o en el vacío. Sin que exista la transferencia de materia ya que sea por ondas mecánicas o electromagnéticas.

Onda: Es una perturbación de alguna propiedad de un medio, la onda es un medio de propagación de la energía.

Dependiendo de los factores que se tengan en cuenta para hacerlo o dependiendo de su materia la cual varía dependiendo de la onda o su modo de propagación.

Onda mecánica: es aquella que necesita de un medio elástico (materia con estado de agregación) para propagarse; las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio.

Onda no mecánica: es aquella que no necesita de un medio elástico, esta se propaga por el vacío.

Las ondas en general cuentan con una estructura, esta es la misma para todas.






La energía es una propiedad de cualquier cuerpo o sistema por el cual puede transformarse, modificando su estado o posición, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación.

Se puede decir entonces que:
*La energía total de un sistema aislado se conserva.
*En el universo no puede existir creación o desaparición de energía, y la energía total del universo es constante.
*La energía puede transmitirse de unos cuerpos a otros.

La energía interna (U): Es la energía que tiene los cuerpos debido al movimiento de sus átomos; de otra manera se dice que es la suma de toda la energía cinética de sus partículas. La tienen todos los cuerpos superiores a 0º K la energía aumenta con la temperatura.

La energía se puede transferir de acuerdo al teorema de la conservación de la energía y materia. Para la energía interna existe tres tipos de propagación.

Conducción: es la trasferencia de energía interna que se da en la materia en estado sólido mediante vibraciones en los átomos.

Convección: es la trasferencia de energía interna que se da en la materia en estado líquido y gaseoso mediante movimientos llamados flujos convectivos en el cual las partículas calientes suben y las frías bajan.

Radiación: es la trasferencia de energía interna que se da en la materia los todos los estados de agregación de la materia y en el vacío mediante ondas no mecánicas.


El sol
Es la estrella más cercana a la Tierra y el mayor elemento del Sistema Solar. El Sol es la principal fuente de energía, que se manifiesta, sobre todo, en forma de luz y calor.
La fusión nuclear es un proceso donde dos o más núcleos se combinan para formar un elemento con un número atómico mayor (más protones en el núcleo). La fusión es el proceso contrario de la fisión nuclear. La reacción de fusión produce la energía del Sol. La fusión libera energía.
La energía liberada está relacionada con la ecuación de Einstein. E=mc2
Para que ocurra una reacción de fusión es necesario que los núcleos estén muy cerca el uno del otro de manera que las fuerzas nucleares sean relevantes y colisionen los núcleos; las fusiones ocurren más fácilmente en un ambiente de muy alta densidad y temperatura.

La energía que emite el sol o radiación solar, recibida en la superficie terrestre, es la fuente de casi todos los fenómenos meteorológicos y de sus variaciones en el curso del día y del año. Se trata de un proceso físico, por medio del cual se transmite energía en forma de ondas electromagnéticas, en línea recta, sin intervención de una materia intermedia, a 300.000 km por segundo. Cuando esta radiación alcanza el límite superior de la atmósfera está formada por rayos de distinta longitud de onda.

La radiación infrarroja, o radiación IR es un tipo de radiación electromagnética y térmica, de mayor longitud de onda que la luz visible, pero menor que la de las microondas. Consecuentemente, tiene menor frecuencia que la luz visible y mayor que las microondas. Su rango de longitudes de onda va desde unos 0,7 hasta los 1000 micrómetros. La radiación infrarroja es emitida por cualquier cuerpo cuya temperatura sea mayor al cero absoluto.




De todos los rayos que desprende el sol, un rayo es el que el que está conformado por radiación infrarroja la cual es la onda encargada es responsable del calor que llega a la tierra. La energía térmica que se encuentra en toda la atmosfera provoca fenómenos meteorológicos.


Origen del viento

◙Por convección: La radiación que provee el sol a sus alrededores llega al planeta tierra, en la atmosfera del planeta la cual está compuesta por gases en su mayoría Nitrógeno y Oxígeno, como propiedad intrínseca de los gases está presente la convección para transferir la energía interna para llegar a un equilibrio térmico. Las partículas de los gases presentes en la atmosfera se desplazan de tal forma que las partículas más frías bajan, mientras las más calientes suben por ser más ligeras.




◙Efecto Coriolis: Se trata pues de una fuerza inercial o ficticia, que se introduce para explicar, desde el punto de vista del sistema en rotación, la aceleración del cuerpo, cuyo origen está en realidad, en el hecho de que el sistema de observación está rotando.

El efecto de Coriolis es parte de las fuerzas inerciales las cuales son una expresión que asumimos que ésta actúa sobre un cuerpo cuando la realidad no es tal, ya que tan solo es una invención para explicarnos de una forma simple, y hasta cierto punto intuitiva, la aparición de efectos desacostumbrados.

Descrito en 1836 por el científico francés Gaspard-Gustave Coriolis, es el efecto que se observa en un sistema de referencia en rotación cuando un cuerpo se encuentra en movimiento respecto de dicho sistema de referencia. Este efecto consiste en la existencia de una aceleración relativa del cuerpo en dicho sistema en rotación. Esta aceleración es siempre perpendicular al eje de rotación del sistema y a la velocidad del cuerpo.

La fuerza de Coriolis siempre es perpendicular a la dirección del eje de rotación del sistema y a la dirección del movimiento del cuerpo vista desde el sistema en rotación. La fuerza de Coriolis tiene dos componentes:


+Una componente tangencial, debida a la componente radial del movimiento del cuerpo.
+Una componente radial, debida a la componente tangencial del movimiento del cuerpo.


La componente del movimiento es descrita por la ecuación:


El efecto Coriolis en la atmosfera se da cuando masas de aire o de agua se desplazan siguiendo meridianos terrestres, y su trayectoria y velocidad se ven modificadas por él. En efecto, los vientos o corrientes oceánicas que se desplazan siguiendo un meridiano se desvían acelerando en la dirección de giro (este) si van hacia los polos o al contrario (oeste) si van hacia el ecuador. La manifestación de estas desviaciones produce que las corrientes de aire tiendan a girar en el hemisferio sur en el sentido de las agujas del reloj y, en el hemisferio norte, en sentido contrario.


Por lo visto la energía de las olas oceánicas constituye una forma de almacenar en la superficie de los océanos, con una densidad relativamente alta, la energía solar.




Sistema de las olas

En 1957, Phillips y Miles, propusieron las teorías de formación de las olas que actualmente prevalecen. La teoría de Phillips decía que: “las fluctuaciones de presión del viento sobre la superficie del agua produce fluctuaciones en la superficie del agua y es lo que le da la rugosidad”. Miles complementó está teoría diciendo: “que las fluctuaciones del agua produce fluctuaciones en el aire y que estas fluctuaciones se ponen en fase, haciendo crecer más las olas”. En 1967, Hasselmann, añadió un concepto que constituye la teoría que actualmente se acepta. Según Hasselmann, las olas interactuaban entre sí y compartían la energía. Por ello era posible el transporte de energía dentro del espectro entre algunas frecuencia determinadas, que explicaba el crecimiento al principio de la formación de las olas.


Con los conceptos básicos aclarados ahora si, se puede comenzar de la energía undimotriz

Mecanismo del sistema

Cuando el viento sopla a través de la superficie del mar las moléculas de aire interactúan con las moléculas de agua que están en contacto. La fuerza que se genera entre el aire y el agua modifica la superficie del océano, dando lugar a pequeños rizos, conocidos como olas de capilaridad. Las olas de capilaridad dan lugar a una mayor superficie de contacto, la cual incrementa la fricción entre agua y viento.

Para una velocidad dada del viento, la energía de la ola puede estar limitada por el alcance o por la duración del mismo. Existe un alcance y duración mínima, para una velocidad del viento dada, en que la energía que adquiere el océano se equilibra con la energía que se pierde, básicamente por rompimiento de la cresta de la ola, obteniéndose lo que se denomina un océano en completo desarrollo. Es decir, las olas no crecen indefinidamente aunque aumente el alcance o tiempo que sople el viento, sino que la altura de las mismas alcanza un equilibrio. A este oleaje bajo la acción del viento es lo que se llama mar de viento.

Las olas son ondas mecánicas que están caracterizadas por tener componentes claves, las cuales son las mismas que las de una onda senoidal cualquiera.





El tamaño de las olas generadas por un campo de viento depende de tres factores:
*La velocidad del viento.
*El intervalo de tiempo del viento.
*Distancia sobre la cual la energía del viento se transfiere al océano.

El espectro de energía para un océano en completo de desarrollo para diferentes velocidades del viento. El tamaño y posición del pico del espectro varía conforme varía la velocidad del viento. Cuanto menor es la velocidad menor es la altura de la ola y más alta su frecuencia o más bajo su periodo.




En realidad el océano no se compone de ondas senoidales puras, sino más bien son una superposición de muchas de ellas, cuya superficie puede ser reconstruida como suma de ondas de amplitud variable, llamada análisis espectral.



Cabe destacar que una ola oceánica no representa un flujo de agua.
Una ola representa un flujo o movimiento de energía desde su origen hasta su eventual rotura, la cual puede ocurrir en medio del océano o contra la costa.

Otro factor importante es la profundidad del agua donde ésta se está moviendo.
El movimiento de las moléculas de agua cambia de forma circular a elipsoidal cuando una ola llega a la costa y la profundidad del agua disminuye y el movimiento es más horizontal.




La velocidad de propagación de las olas (c) en aguas profundas depende de la profundidad, por lo tanto, la porción de la ola que está viajando sumergida, viaja más rápido. La proporción está descrita por la ecuación:



Se dice que las ondas en el agua profunda viajan por paquetes de energía debido a la envolvente que siempre va rezagada con respecto a las ondas individuales. Esto origina que las olas vayan cambiando gradualmente se velocidad de propagación y su dirección conforme se aproximan a la costa, y a tal comportamiento se denomina refracción de olas.




Las ecuaciones demuestran que viajan más rápido aquellas olas que tiene mayor periodo; esa es la razón por la que las olas de agua profunda se llaman dispersivas.



Según las olas se van aproximando a la playa, su velocidad de avance y su longitud de onda disminuyen, y su altura aumenta hasta que la velocidad de las partículas del fluido excede la velocidad de avance de la ola (velocidad de fase), y la ola se hace inestable y rompe.



En definitiva, las olas oceánicas son, esencialmente, como ya se ha mencionado, movimientos de energía. Esta energía es de dos tipos:
1.- Las moléculas individuales de agua se están moviendo constantemente en una forma circular, y la energía cinética puede ser utilizada en diferentes clases de aparatos de conversión de energía del oleaje, bien directamente vía alguna clase de hélice o indirectamente mediante dispositivos compuestos por columnas oscilantes de agua.

2.- En su movimiento circular las moléculas individuales de agua son elevadas encima de la línea inmóvil de la superficie del agua y entonces representa una energía potencial.


Capacidad de potencia

La energía de las olas oceánicas es enorme. Incluso la fracción de la energía que es potencialmente explotable es muy grande comparada con el consumo actual de electricidad en el mundo. Se han realizado diversos estudios con el propósito de estimar el potencial mundial. Se estima la energía mundial explotable es de 2TWh (Tera-Watts-hora)

La energía que una ola adquiere depende básicamente de: la intensidad del viento que sopla sobre la superficie del océano, del tiempo en que el viento está soplando y del alcance o superficie sobre la cual sopla el mismo.

La potencia (P) contenida en una ola oceánica idealizada puede expresarse con la ecuación:




Dada la ecuación de potencia contenida en una ola es proporcional al cuadrado de la amplitud de onda (H) y al periodo (T) del movimiento. Las olas con periodos de tiempo largos (7s – 10s) y a grandes amplitudes (2m) tiene un flujo de energía en promedio de 40-50 kW por metro de ancho.



Estudios recolectados por satélites espaciales arrojan estadísticas para estudiar el oleaje, y así obtener información valiosa que servirá para instalar tecnología que aproveche al máximo el recurso y lograr su eficiencia.

Las zonas del mundo sujetas a vientos regulares son las que disponen de mayores potenciales energéticos que pueden extraerse de las olas. Así, la actividad de la olas se ve incrementada entre las latitudes de 30º y 60º en ambos hemisferios, inducidas por los vientos alisios predominantes que soplan en estas regiones. Los vientos procedentes del Golfo de México, que soplan con una dirección predominante del noreste, cruzan el Atlántico y tienen varios miles de kilómetros para transferir energía al Océano Atlántico. Estos vientos crean grandes olas que llegan a las líneas de costa de Europa.



Dispositivos transformadores de energía



Para el aprovechamiento máximo de la energía en una ola mediante dispositivos encargados de captar la energía y transformarla, para eso se deben diseñar aparatos completamente los movimientos de las partículas del agua, es decir deberían capturar la energía de todos los movimientos circulares de la ola, desde la superficie hasta las profundidades

Se debe tener en cuenta a la hora de decidir cuánto debe introducirse, debajo de la superficie del mar, un dispositivo de captación de energía del oleaje, ha de tenerse presente que el 95% de la energía de una ola se encuentra entre la franja comprendida entre la superficie y una profundidad de un cuarto de la longitud de onda.



Cuando la ola se acerca a aguas poco profundas va perdiendo gradualmente su potencia. Ello se debe a la fricción que se produce entre las partículas de agua más profundas y el fondo del mar, siendo el efecto más significativo cuando la profundidad del agua es menos de un cuarto de la longitud de ola. Esta pérdida de potencia es muy importante ya que reduce la cantidad de energía útil que puede extraerse del oleaje. Normalmente, olas con una densidad de potencia de 50kW/m, en aguas profundas, pueden reducir su densidad a 20kW/m o menos cuando están más cerca de la costa, en aguas poco profundas, dependiendo de la distancia recorrida en aguas poco profundas y de la rugosidad del fondo del mar.


Antecedentes

El sector de la energía de las olas no puede ser tan avanzado como otros sectores renovables, como la eólica o la solar, pero el concepto de aprovechamiento de la energía de las olas del mar no es nuevo.
La primera las ideas fueron patentados por el francés Girard para explotar esta energía desde 1799 se han desarrollado múltiples tecnologías.

Entre 1855 y 1973, se colocaron 340 patentes para dispositivos de energía de las olas. Investigación era moderna en energía de las olas fue muy estimulada por la crisis del petróleo de la década de 1970 que generó una la aumento espectacular de los precios del petróleo, los precios del petróleo entraron en pánico a los gobiernos a intensificar la investigación en formas alternativas de generación de energía. Varias investigaciones Se iniciaron programas con apoyo gubernamental y privado principalmente en el Reino Unido, Portugal, Irlanda, Noruega, Suecia y Dinamarca. Sin embargo, en la década de 1980, el precio del petróleo volvió a niveles más asequibles y con él, el interés por la energía de las olas la investigación se redujo con la financiación de ser retirado de muchos proyectos. Pero desde mediados de la década de 1990, el aumento de los niveles de Las emisiones de CO2 y el cambio climático conciencia ha capturado la atención de los gobiernos y los pueblos del mundo y a su vez, la generación de electricidad a partir de fuentes renovables una vez más se ha convertido en una importante área de investigación.





Clasificación de los dispositivos:


On-Shore: Dispositivos de energía de onda instalados en tierra tienen la ventaja de ser más cerca de la red de utilidad que reduce naturalmente los costos de conexión a red iniciales. Son instalados cerca de la costa son más fáciles de mantener y son menos susceptibles al daño de extrema si las condiciones como las ondas se atenúan a medida que viajan a través de la más superficial agua reduciendo los esfuerzos posibles en el dispositivo. Por lo que son dispositivos de baja potencia.

Nearshore: Dispositivos que se encuentran en aguas relativamente poco profundas. Mientras que hay una falta de consenso en cuanto a lo que define el agua 'superficial', por lo general acordó que nearshore representa un área dentro de 2 km de la línea de costa. Por lo que son dispositivos de potencia media.

Off-Shore: dispositivos offshore se instalan generalmente en aguas profundas. La colocación de un convertidor de energía de las olas en aguas más profundas resulta en una mayor cantidad de energía para ser explotados como el contenido de energía de las olas en aguas profundas es mayor. Por lo que son dispositivos de alta potencia.



Los sistemas de aprovechamiento de la energía de las olas se deben resolver una serie de problemas antes de que sean ampliamente usados. De todas formas, hay que señalar que muchos de ellos solo afectan a los dispositivos ubicados en las costas.



Ventajas de la energía undimotriz
1. Energía Limpia y prácticamente inagotable.
2. Cero emisiones de gases a la atmósfera
3. Costos de materia prima teóricamente nulos
4. Disponible sin importar clima y época del año.

Desventajas de la energía undimotriz
1. Dependiente de la amplitud de las mareas por lo que no se puede instalar en cualquier lugar.
2. Altos costos por kW instalado.
3. Traslado de energía generalmente muy costoso
4. Impactos sobre la biodiversidad marina.
5. Genera un impacto visual significativo en ciertos casos.
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