Energías Alternativas
Didio U. Araya Delgado
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Universidad Tecnológica de Panamá cede Coclé
didioaraya68@gmail.com
Alan Gonzáles
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Universidad Tecnológica de Panamá cede Coclé
alangon0615@gmail.com
Resumen:La energía renovable, también llamada energía alternativa, Realizado por Didio Araya y Alan Gonzáles con el único interés de que todo los lectores puedan informarse y adquirir conocimientos de las diferentes formas de energías Alternativas que Podemos Utilizar en Nuestro País. Las energías renovables comprenden: la
energía solar, la hidroeléctrica (se genera haciendo pasar una corriente de agua a través de una turbina), la
eólica (derivada de la solar, ya que se produce por un calentamiento diferencial del aire y de las
irregularidades del relieve terrestre), la geotérmica (producida por el gradiente térmico entre la temperatura
del centro de la Tierra y la de la superficie), la
procedente de la biomasa (se genera a partir del tratamiento de la materia orgánica).
Palabras Clave: energía alternativa, energía solar, instalación fotovoltaica, energía eólica.
OBJETIVO
Aportar conocimiento para los electricistas y lectores que se sientan atraídos por esta hermosa y valiosa Profesión, que hoy día dependemos en diferentes campos llámese tecnológico, medicina, ... un sin fin de beneficios y comodidades que nos ofrece la energía eléctrica.DESARROLLO
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FIGURA 1 - Importante saber el significado de energía alternativa |
Energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la Tierra a
través del espacio en cuantos de energía llamados fotones que interactúan con la atmósfera y la superficie
terrestres. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra
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está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o
unas 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un
periodo de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la
constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones
con la atmósfera.
La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma
complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía
solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.
Instalación fotovoltaica
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| FIGURA 2- Instalación Foto voltaico. |
Cómo opera?
Una fuente fotovoltaica (generalmente llamada Celda Solar), consiste en obleas de materiales
semiconductores con diferentes propiedades electrónicas. En una celda policristalina, el volumen principal de
material es silicón alterado (dopado) con una pequeña cantidad de boro, que le da una característica positiva o
tipo−p. Una delgada oblea en el frente de la celda es alterada con fósforo para darle una característica negativa
o tipo−n. La interfase entre estas dos óbleas contienen un campo eléctrico y es llamada Unión.
La luz esta formada de partículas llamadas fotones, cuando la luz choca sobre la celda solar, cada uno de los
fotones es absorbido en la región de unión liberando electrones de cristal de silicio. Si el fotón tiene suficiente
energía, los electrones serán capaces de vencer el campo eléctrico de la unión y moverse a través del silicio y
hasta un circuito externo. Cuando fluyen a través de un circuito externo, pueden proporcionar energía para
hacer un trabajo (cargar baterías, mover motores, encender lámparas, etc.).
El proceso fotovoltáico es completamente de estado sólido contenido en sí mismo. No tiene partes móviles ni
materiales consumibles o emisores.
Recogida directa de energía solar
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| FIGURA 3- Partes del colector |
La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados
para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea
en procesos térmicos o fotoeléctricos, o foto voltaicos. En los procesos térmicos, la energía solar se utiliza para
calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos foto voltaicos, la energía
solar se convierte en energía eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio. Los colectores solares
pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración.
Electricidad fotovoltaica
Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor en
estado cristalino, convierten la radiación en electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con
eficiencias de conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas células en
módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho. El uso actual de las células solares se
limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves
espaciales.
ENERGÍA EÓLICA
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| FIGURA 4- Parque Eólico |
La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el sol, y las irregularidades
de la superficie terrestre. Aunque sólo una pequeña parte de la energía solar que llega a la tierra se convierte
en energía cinética del viento, la cantidad total es enorme. La potencia de los sistemas conversores de energía
eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, por lo que la velocidad promedio del viento y su
distribución en un sitio dado son factores muy importantes en la economía de los sistemas. El recurso
energético eólico es muy variable tanto en el tiempo como en su localización. La variación con el tiempo
ocurre en intervalos de segundos y minutos (rachas), horas (ciclos diarios), y meses (variaciones estacionales).
Esta variación implica que los sistemas de aprovechamiento de la energía eólica se pueden operar mejor en
tres situaciones.
− Interconectados con otras plantas de generación, desde una pequeña planta diésel hasta la red de
distribución eléctrica. En este caso, la potencia generada por el aeromotor de hecho permite ahorrar
combustibles convencionales.
− Utilizados en conjunto con sistemas de almacenamiento de energía tales como baterías o sistemas de
rebombeo.
− Utilizados en aplicaciones donde el uso de la energía sea relativamente independiente del tiempo, tenga una
constante de tiempo que absorba las variaciones del viento, o donde se pueda almacenar el producto final,
como en algunos tipos de irrigación, bombeo y desalinización de agua.
El costo de inversión de un parque eólico es de entre $1.5 a $1.7 millones por MWh instalado, mientras que los proyectos hidráulicos están por el orden de los $3 millones por MW instalado.
Características de la Energía Eólica
Una las características más importantes de la energía eólica, es que para su funcionamiento se necesita de la instalación de un aero-generador. Otra de las características es que transforma la energía eléctrica sin la necesidad de emitir sustancias tóxicas a la capa de ozono. Además, son de gran ayuda en lugares alejados dónde se dificulta muchísimo la llegada de electricidad.Otra de las características de la energía eólica es que puede producir electricidad para abastecer a un parque eólico o grandes centrales de electricidad. Como hemos visto las características de la energía eólica son en mayoría muy favorables.
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar.
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Los continentes absorben una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.
Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar.
Partes de una turbina eólica
Aspas: Son la parte de la turbina que recibe directamente la energía del viento; los diseños avanzados están orientados a aprovechar al máximo esta energía. Un rotor está compuesto, generalmente, por dos o tres aspas cuyo tamaño comercial oscila entre los 25 y 50 metros y pueden pesar más de 900 Kg cada una.Rotor: Está compuesto por las aspas y el eje al que están unidas.
Paletas o palas del rotor: Diseñadas para que giren con en el viento, moviendo el generador de la turbina, las turbinas más modernas generalmente constan de tres paletas, que miden de 40 a 80 metros de largo.
Transmisión: La potencia se transfiere mediante el eje de rotación a una serie de engranes, o transmisión, que aumentan la baja velocidad de rotación de las aspas, del orden de las 60 revoluciones por minuto (rpm), a una velocidad de entre 1,500 y 2,000 rpm.
Generador: La alta velocidad de rotación que se obtiene del sistema de transmisión se conecta al generador que produce electricidad a partir del movimiento, como en los tradicionales sistemas de vapor.
Controles: Los diversos sistemas de control son coordinados y monitoreados por una computadora y puede tenerse acceso a ellos desde una ubicación remota. El control de ajuste gira las aspas para mejorar el desempeño a diferentes velocidades de viento. Otro control pone a la turbina en la dirección del viento. Los controles electrónicos mantienen un voltaje de salida constante ante los cambios de velocidad. El generador de velocidad variable es una parte importante que permite diseñar sistemas efectivos desde el punto de vista económico.
Torre: Existen dos tipos de torres: de mono tubo o tubo sólido de acero y de armadura. Las alturas varían con el tamaño del rotor entre los 25 y 50 m.
Caja de engranes: Los engranajes se utilizan para aumentar la frecuencia para la producción eléctrica.
Cómo se produce y obtiene
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| FIGURA 5- Partes de la turbina eólica |
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| FIGURA 6- Distribución de la energía eólica. |
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FIGURA 7- formas de general energía de biomasa
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Abreviatura de masa biológica, cantidad de materia viva producida en un área determinada de la superficie
terrestre, o por organismos de un tipo específico. El término es utilizado con mayor frecuencia en las
discusiones relativas a la energía de biomasa, es decir, al combustible energético que se obtiene directa o
indirectamente de recursos biológicos. La energía de biomasa que procede de la madera, residuos agrícolas y
estiércol, continúa siendo la fuente principal de energía de las zonas en desarrollo. En algunos casos también
es el recurso económico más importante, como en Brasil, donde la caña de azúcar se transforma en etanol, y
en la provincia de Sichuan, en China, donde se obtiene gas a partir de estiércol. Existen varios proyectos de
investigación que pretenden conseguir un desarrollo mayor de la energía de biomasa, sin embargo, la rivalidad
económica que plantea con el petróleo es responsable de que dichos esfuerzos se hallen aún en una fase
temprana de desarrollo.
Los combustibles derivados de la biomasa abarcan varias formas diferentes, entre ellas los combustibles de
alcohol, el estiércol y la leña. La leña y el estiércol siguen siendo
combustibles importantes en algunos países en vías de desarrollo, y los elevados precios del petróleo han
hecho que los países industrializados vuelvan a interesarse por la leña. Los científicos están
dedicando cada vez más atención a la explotación de plantas energéticas, aunque existe cierta preocupación de
que si se recurre a gran escala a la agricultura para obtener energía podrían subir los precios de los alimentos.
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| FIGURA 8- Biomasa |
ENERGÍA GEOTÉRMICA
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| FIGURA 9 - Planta geotérmica. |
Geotermia: ciencia relacionada con el calor interior de la Tierra. Su aplicación práctica principal es la
localización de yacimientos naturales de agua caliente, fuente de la energía geotérmica, para su uso en
generación de energía eléctrica, en calefacción o en procesos de secado industrial. El calor se produce entre la
corteza y el manto superior de la Tierra, sobre todo por desintegración de elementos radiactivos. Esta energía
geotérmica se transfiere a la superficie por difusión, por movimientos de convección en el magma (roca
fundida) y por circulación de agua en las profundidades. Sus manifestaciones hidrotérmicas superficiales son,
entre otras, los manantiales calientes, los géiseres y las fumarolas. Los primeros han sido usados desde la
antigüedad con propósitos terapéuticos y recreativos. Los colonos escandinavos en Islandia llevaban agua
desde las fuentes calientes cercanas hasta sus viviendas a través de conductos de madera.
El vapor producido por líquidos calientes naturales en sistemas geotérmicos es una alternativa al que se
obtiene en plantas de energía por quemado de materia fósil, por fisión nuclear o por otros medios. Las
perforaciones modernas en los sistemas geotérmicos alcanzan reservas de agua y de vapor, calentados por
magma mucho más profundo, que se encuentran hasta los 3.000 m bajo el nivel del mar. El vapor se purifica
en la boca del pozo antes de ser transportado en tubos grandes y aislados hasta las turbinas. La energía térmica
puede obtenerse también a partir de géiseres y de grietas.
La energía geotérmica se desarrolló para su aprovechamiento como energía eléctrica en 1904, en Toscana
(Italia), donde la producción continúa en la actualidad. Los fluidos geotérmicos se usan también como
calefacción en Budapest (Hungría), en algunas zonas de París, en la ciudad de Reykjavík, en otras ciudades
islandesas y en varias zonas de Estados Unidos.
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FIGURA 10- planta de energía Geotérmica.
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ENERGÍA HIDRÁULICA
Es la energía que se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el
movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las
zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de
derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la
inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el
petróleo son baratos, aunque el coste de mantenimiento de una central térmica, debido al combustible, sea más
caro que el de una central hidroeléctrica. Sin embargo, el peso de las consideraciones medioambientales
centra la atención en estas fuentes de energía renovables
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| FIGURA 11- proceso hidráulico |
Ley de Faraday
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FIGURA 12- Generador
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hidroeléctrica.
Las centrales
dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede
mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con
válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra
en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y
conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se
utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños
caudales.
Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de
agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas
instalaciones se llaman de agua fluente.
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| FIGURA 13- hidroeléctrica |
Referencias
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