Kitabı oku: «Necesidades energéticas y propuestas de instalaciones solares. ENAC0108»

Capítulo 1

Emplazamiento y viabilidad de instalaciones de energía solar

1. Introducción

El Sol supone una gran fuente de energía cuyo aprovechamiento en la actualidad está poco desarrollado, y son las energías derivadas del petróleo las que abarcan en un gran porcentaje la base energética. Sin embargo, en la viabilidad de las instalaciones solares está el futuro de la energía en el Planeta.

Las formas en que se puede presentar la energía y sus diferentes transformaciones sirven para el diseño de máquinas que el hombre, a lo largo de la historia, ha inventado, proporcionándole mayor confort en el hogar y ayudándole en el desarrollo del trabajo.

Las necesidades térmicas y eléctricas hoy en día son elevadas, por lo que la posibilidad de aprovechar la energía que proporciona el Sol se hace necesaria.

Tanto en ciudades como en suelos interurbanos, las instalaciones de paneles solares ayudan a cubrir el aumento actual de la demanda energética de manera limpia y renovable.

El emplazamiento de estas instalaciones se debe realizar teniendo en cuenta el movimiento de la Tierra alrededor del Sol, estudiando tanto las variables de luz a lo largo del día como los cambios estacionales.

La inversión económica inicial se verá rentabilizada a medio y largo plazo, por lo que la viabilidad de las instalaciones solares será siempre materia de estudio previo.

2. Necesidades energéticas

Hoy en día la energía es necesaria para la vida, ya sea para proporcionar confort mediante el calor o el frío, para realizar desplazamientos o para conseguir un buen nivel de iluminación.

Asimismo, con la transformación de la energía se pueden conseguir diferentes aplicaciones en instrumentos y máquinas diseñados por los humanos.

2.1. Energía

En nuestro planeta, la energía procede en su gran mayoría de la estrella Sol, existiendo además una pequeña parte en el interior de la Tierra que se manifiesta por medio de los volcanes y los géiseres, y que produce movimientos de las placas tectónicas que forman montañas y depresiones. Estos movimientos producen terremotos.

La energía que se encuentra en la atmósfera genera rayos eléctricos, vientos, lluvia, etc.

El aprovechamiento que realiza el ser humano de esa energía natural se consigue por el desarrollo de instrumentos útiles diseñados y construidos por él.

Actividades

1. Realizar un listado de las diferentes placas tectónicas que tiene el planeta Tierra al observar un mapamundi y pensar qué ha producido sus movimientos.

2.2. Definición

La energía se define como la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo, ya sea una máquina o el propio esfuerzo humano.

A lo largo de la historia, el ser humano, en su evolución, ha aprendido y desarrollado muchos sistemas para transformar la energía calorífica del Sol y el trabajo muscular para aplicaciones útiles como el calor del fuego, el desplazamiento de cargas, el arado de la tierra con el esfuerzo de los animales, la molienda del trigo con la fuerza del viento, la presión y la fuerza de movimiento en la máquina de vapor, el calentamiento de agua y la generación de electricidad, que es la forma de energía más consumida en la actualidad con los beneficios medioambientales que permite a la hora de su consumo.

Aprovechamiento de la energía

2.3. Unidades

Dependiendo de la forma en que se presenta la energía, lo cual se verá más adelante, existen varias unidades que se utilizan para medir la energía, el calor y el trabajo en los tres tipos de sistemas regulados:

1 Sistema Internacional (SI): utiliza el julio, que es la energía cinética de movimiento que tiene un cuerpo con una masa de 1 kilogramo y que se está moviendo a una velocidad de 1 metro por cada segundo.

1 julio = 1 newton · 1 metro

1 Sistema Técnico (ST): utiliza el kilográmetro, el cual es la energía necesaria para levantar un peso de 1 kilogramo a 1 metro de altura.

1 kilográmetro = 1 kilogramo · 1 metro

Por tanto, relaciona la masa en kilogramos-fuerza o kilopondio y la distancia en metros.

La relación del kilopondio con el newton es:

1 kilopondio = 1 · 9,80665 newton

1 Sistema Cegesimal (CGS): utiliza el ergio y relaciona la distancia (cm), la masa (gramos) y el tiempo (segundos). Está ya anticuada, utilizándose más en EE. UU.

1 ergio = 1 dina · 1 cm

Su relación con el julio es:

1 ergio = 1 · 10^-7 julios

Sabía que...

Isaac Newton revolucionó la sociedad de su tiempo al no considerar un acto divino el movimiento natural de los objetos.

Existen además otras unidades para medir la energía, que son más utilizadas en la vida cotidiana, como son la caloría y el kilovatio hora.

La caloría es la cantidad de energía necesaria para elevar 1 grado de temperatura 1 gramo de agua en condiciones de presión atmosférica al nivel del mar y pasando de 14,5 a 15,5 °C (grados centígrados). Se utiliza para medir la energía térmica.

Nota

No existe una relación directa entre calorías y temperatura en grados centígrados, ya que en la primera interviene además la masa del cuerpo.

El kilovatio hora (KW.h) indica el trabajo o la energía desarrollada por una máquina o un ser vivo durante un tiempo de 1 hora y a una potencia de 1 kilovatio. Es utilizado para medir la energía eléctrica.

Actividades

2. Revisar el recibo de la luz de su domicilio y observar los términos de potencia contratada y energía consumida en kilovatios hora.

2.4. Formas de energía

Hay que recordar que la energía se define como la capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo. Dependiendo de la manera en que se manifieste esa energía, se pueden encontrar diferentes formas de medirla con sus unidades correspondientes.

En general, la energía se puede presentar de seis maneras diferentes, aunque en las aplicaciones a menudo están relacionadas entre sí.

Se puede tener energía de forma eléctrica, mecánica, nuclear, química, radiante electromagnética y térmica.

Energía eléctrica

Es el tipo de energía más utilizado en la actualidad en los diferentes aparatos domésticos, siendo de fácil generación y transporte gracias a las características magnéticas de la electricidad.

Es importante indicar que cualquier tipo de energía se puede transformar en energía eléctrica, y por ello se encuentran las mayores aplicaciones en la industria y en las viviendas. Se trata de una energía que no es primaria ni final, sino que se emplea para hacer que los mecanismos de las máquinas se muevan o generen el calor necesario para calentar.

La generación de la electricidad alterna se realiza en grandes centrales hidroeléctricas, térmicas o nucleares; y antes del transporte a los puntos de consumo se somete a un cambio para conseguir alta tensión y baja intensidad por medio del transformador, de forma que se pueda consumir después a baja tensión con una nueva transformación realizada en los centros específicos de las poblaciones o las zonas industriales y urbanas.

La energía eléctrica se encuentra en la naturaleza y es proporcionada por los rayos de las tormentas atmosféricas, aunque esta aún no es aprovechable por lo imprevisible de su aparición.

La gran aplicación de la energía eléctrica se encuentra en la transformación de esta en energía mecánica para conseguir el motor eléctrico. Cuando la electricidad llega al motor, una bobina o arrollamiento de cables conductores (rotor) gira alrededor de un imán (estator), produciendo energía mecánica de giro.

Este giro se puede aprovechar para mover una polea con correa y transmitir y transformar ese movimiento en otros.

Energía mecánica

Está compuesta por dos tipos de energía: energía potencial y energía cinética. La primera está relacionada con la posición relativa en la que se encuentre la masa dentro de un sistema, y la segunda depende de la masa y la velocidad a la que esa masa se desplace.

Energía mecánica: Em = Ep + Ec

Energía potencial = masa · aceleración de la gravedad · altura

Ep = m · g · h

Energía cinética = ½ masa · velocidad lineal² Ec = ½ m · v²

Nota

El valor de la aceleración de la gravedad puede variar dependiendo de la altitud respecto al nivel del mar, pero se utiliza 9,81 m/s².

Se puede observar en la siguiente imagen que, si se coloca una masa suspendida en el aire, este cuerpo tendrá más energía potencial (Ep) cuanto mayor sea la diferencia de altura con respecto al suelo.

Si a continuación el cuerpo de masa (m) se deja caer, su energía potencial (Ep) se transformará, por su desplazamiento, en energía cinética (Ec), en la que influye la velocidad (v) de caída relacionada con la aceleración gravitatoria (g).

Ep = Ec

m · g · h = ½ m · v²

Eliminando la masa (m) de los dos lados de la igualdad:

g · h = ½ v²

Despejando ahora el valor de la velocidad se tiene:

v = √2 · g · h

Cuando el cuerpo de masa (m) está ya en el suelo, la energía mecánica (Em = Ep + Ec) que tiene será igual a cero, ya que con respecto a ese plano no tiene diferencia de altura (h) y está en reposo sin velocidad (v).

Aplicación práctica

Está realizando el montaje de un aparato de climatización subido en una escalera a 3 metros del suelo, donde se encuentra su compañero. Una vez apretados los pernos del soporte, deja caer el destornillador, de 200 gramos y desde una altura de 4 metros.

Si su compañero hubiera cogido el destornillador a 1 metro del suelo, ¿cuánta energía hubiese tenido que absorber en su mano?

SOLUCIÓN

La energía potencial del destornillador antes de su caída es:

Ep = m · g · h = 0,2 kg · 9,81m/s² · 4 m = 7,848 julios

Esta energía potencial se transforma en energía cinética cuando el destornillador se deja caer → Ep = Ec.

Al llegar al suelo, la altura, la velocidad y la energía potencial serán igual a cero, pero a 1 metro del suelo la velocidad será:

V = √2 · g · h = √2 · 9,81m/s² · 3 m = 41,62 m/s

La energía cinética que tiene a 1 metro del suelo será:

Ec = ½ m · v² = ½ · 0,2 kg · 41,622 m/s = 173,22 julios

La energía potencial que aún le queda en ese punto, al estar a 1 metro del suelo, será:

Ep = m · g · h = 0,2 kg · 9,81 m/s² · 1 m = 1,962 julios

La energía mecánica total que hubiera tenido que absorber el compañero si hubiera recogido el destornillador a 1 metro del suelo será la suma de las energías cinética y potencial:

Em = Ec + Ep = 173,22 julios + 1,962 julios = 175,182 julios

La propiedad electromagnética de la electricidad permite que el giro mecánico del rotor bobinado dentro del campo magnético de un imán genere electricidad (generación). De la misma forma, el giro del rotor bobinado dentro del campo magnético de un imán, por el magnetismo de la electricidad, genera un movimiento circular que se puede aprovechar como energía mecánica (consumo).

El generador eléctrico es capaz de mantener un voltaje mediante la transformación de energía mecánica en eléctrica. Se genera electricidad cuando un conductor o grupo de conductores (bobina) se mueven dentro de un campo magnético producido por un imán de tipo natural o artificial.

Esta electricidad se puede consumir en una lámpara o en otro tipo de resistencia de un circuito.

El origen de la utilización de la corriente alterna (CA) está en el descubrimiento de las propiedades magnéticas de la electricidad (Oersted), con las que se puede generar electricidad en las centrales a partir de energía de movimiento mecánico de las aspas de una turbina.

Esta electricidad generada será de corriente alterna, ya que la polaridad varía instantáneamente de positiva a negativa, y después de negativa a positiva.

Energía nuclear

Se encuentra en la masa propia del núcleo del átomo, el cual, al ser fisionado (dividido), produce una enorme cantidad de energía.

Cuando se divide por medio de un neutrón un átomo Uranio-235, el núcleo de este se vuelve inestable y se descompone en Kryptón-92, Bario-141 y neutrones, más una gran cantidad de energía en forma de calor.

También se puede obtener energía por la fusión (unión) de dos átomos ligeros de deuterio y tritio, en el que se obtiene un nuevo átomo de helio, que es más pesado, un neutrón y una gran cantidad de energía.

Los electrones en el átomo se encuentran realizando trayectorias alrededor del núcleo formado por protones (positivos) y neutrones (sin carga), de modo que cuando un material se une a otro el conductor hace de camino para que uno ceda electrones al otro y se consiga el equilibrio entre los dos.

El primer método de fisión se utiliza en la actualidad en las centrales nucleares para la generación de electricidad, pero el segundo método de fusión se encuentra aún en fase de experimentación. El futuro de la producción energética se encuentra depositado en el descubrimiento de un reactor de fusión que controle estas cantidades enormes de energía de manera segura, y en la que además no existan residuos nucleares.

Energía química

La reacción de dos o más compuestos químicos en las condiciones de presión y temperatura adecuadas puede generar energía.

El ejemplo más claro es la energía que se produce en el interior de los seres vivos cuando ingieren alimentos, así como la descomposición de materias vegetales y animales, que producen carbón y petróleo.

El motor de explosión de los vehículos utiliza la energía química para mover el cilindro dentro del pistón. También, las baterías o las pilas son un claro ejemplo de generación de cargas eléctricas a partir de la reacción química de oxidación (pérdida de electrones) y reducción (ganancia de electrones) de ciertos materiales metálicos en el interior de un baño de electrolito.

Energía radiante electromagnética

Esta forma de energía la poseen las ondas electromagnéticas visibles como la luz, e invisibles al ojo humano como las de radio, los rayos ultravioleta (UV) e infrarrojos (IR), así como las microondas.

Su principal característica es que se propagan incluso en el medio vacío (sin aire), encontrándose su aplicación principal a nivel doméstico en la iluminación y en los hornos microondas que calientan los productos por fricción.

La dirección de las microondas, que polarizan las moléculas de agua, cambia con una frecuencia muy alta. Por la continua orientación de las moléculas de agua se genera un roce y un calentamiento. Al calentarse el agua de los alimentos, se calienta el alimento. El plato giratorio facilita la homogeneización del calentamiento.

Actividades

4. Realizar una lista de los electrodomésticos de su casa e indicar el tipo de energía final que utilizan.

Energía térmica

También denominada energía calorífica, es la más antigua que se ha utilizado, desde los primeros homínidos que se calentaban al fuego, hasta nuestros días en la calefacción de los hogares.

El fuego es una reacción química exotérmica (oxidación-reducción) en la que se desprende calor, es generada por la combinación de varios factores del llamado tetraedro del fuego y en la que entran en juego el combustible, el comburente y la energía de activación. Se provoca entre ellos una reacción en cadena que desprende calor.

Actividades

5. Buscar en Internet imágenes y dibujar un esquema en el que se diferencien los cuatro elementos que intervienen en el “tetraedro del fuego”.

Existen tres formas de transmisión de energía térmica diferenciadas según el medio por el que se realice:

1 Transmisión de calor por conducción: se produce al contacto directo entre dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. El que está más caliente le transmite parte de su energía calorífica al más frío, hasta que los dos se encuentren a la misma temperatura. Un ejemplo sencillo es cuando se calienta un alimento en la sartén que está a su vez calentada por el fuego.

2 Transmisión de calor por convección: el calor se propaga por medio de un fluido, como puede ser el agua o el aire. El calor que genera un radiador de calefacción asciende a la parte alta de la habitación al ser más ligero.

3 Transmisión de calor por radiación: por medio de ondas electromagnéticas el calor del cuerpo más caliente se transmite al más frío a distancia. Una estufa de resistencia transmite la energía calorífica debido al efecto Joule, en el que se consigue el aumento de la intensidad en el circuito cuando se dispone de una gran resistencia eléctrica.

Q = I² · R · t

El calor generado (Q) está en función del cuadrado de la intensidad eléctrica (I), la resistencia del circuito cerrado (R) y el tiempo durante el cual el circuito está cerrado (t), moviéndose los electrones (e-) a través de él.

Cuadro-resumen y aplicaciones

Las aplicaciones más habituales en el consumo de los tipos de energía se encuentran resumidas en los siguientes cuadros:

Las radiaciones que llegan desde el Sol se pueden aprovechar para calentar materiales y fluidos, almacenando ese calor para las aplicaciones domésticas.

Además, la influencia de la energía del Sol puede servir para generar electricidad directa por medio de células fotoeléctricas o indirectamente por el viento en las llamadas energías renovables, que también incluyen la combustión de biomasa y el aprovechamiento de la energía potencial-cinética de los saltos de agua en los ríos, también llamada energía hidráulica.

Actividades

5. Pensar en qué beneficios medioambientales tiene el uso de las energías renovables y realizar un listado de ellos.