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Curso 2016/2017
Tecnología 3º. Bloque I. Energía 1 / 35
Tecnología 3º ESO.
Bloque I. Energía.
Índice
1. Energía: definición y tipos. Transformaciones energéticas. ............................................ 2
a. Definiciones. ............................................................................................................... 2
b. Tipos de energía ........................................................................................................ 2
c. Formas de encontrar la energía ................................................................................. 4
d. Transformaciones energéticas. .................................................................................. 5
e. Rendimiento, .............................................................................................................. 7
2. Energía mecánica, cinética y potencial. ......................................................................... 9
3. Generación de energía eléctrica: a pequeña y gran escala. ......................................... 10
3.1. Centrales térmicas ................................................................................................ 11
3.2. Centrales nucleares (de fisión) ............................................................................. 15
3.3. Centrales hidroeléctricas....................................................................................... 17
3.4. Centrales eólicas .................................................................................................. 19
3.5. Centrales solares fotovoltaicas ............................................................................. 21
3.6. Centrales solares térmicas (heliotérmicas)............................................................ 22
3.7. Otras ..................................................................................................................... 23
4. Transporte de la energía eléctrica: líneas. ................................................................... 26
5. La energía eléctrica en casa: caja de control y mando. ................................................ 28
6. Potencia y energía: medida de la energía eléctrica. El Kwh. Problemas. ..................... 30
7. Factura eléctrica: potencia contratada, consumo, alquiler de contadores, impuesto
(IVA). Ejemplos. .................................................................................................................. 33
8. Consejos a la hora de hacer ejercicios. ........................................................................ 34
9. Enlaces ........................................................................................................................ 35
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Tecnología 3º. Bloque I. Energía 2 / 35
1. Energía: definición y tipos. Transformaciones energéticas.
a. Definiciones.
- Energía.
"Capacidad que tienen los cuerpos en producir transformaciones en ellos
mismos o en otros " cambios físicos y químicos: crecimiento seres vivos,
combustión, movimiento,... “
Sus unidades en el sistema internacional (SI) son los Julios (J). Otras unidas en
las que se puede medir la energía son las calorías (cal) o los vatios-hora y
kilovatios- horas (Wh y kWh). Estas unidades son muy habituales en energía
eléctrica, especialmente en lo referente a la factura eléctrica y la forma de
medir el consumo eléctrico por las compañías distribuidoras.
- Trabajo.
Es la forma de transmisión de energía entre dos cuerpos. Se define con la
siguiente expresión:
𝑊 = 𝐹 · 𝑑
Siendo:
W= Trabajo, medido en Julios (J)
F= Fuerza, medida en Newtons (N)
d= distancia recorrida, medida en metros (m)
b. Tipos de energía
La energía, según su forma de manifestarse se puede clasificar en:
1. Mecánica. Producida por fuerzas mecánicas. La energía mecánica
total será igual a la suma de la energía cinética y energía potencial
𝐸𝑚 = 𝐸𝑐 + 𝐸𝑝
a. Cinética (Ec). Es la energía mecánica que tiene que ver con
el movimiento de las partículas y los cuerpos. Su expresión es:
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𝐸𝑐 =1
2· 𝑚 · 𝑣2
Siendo:
Ec=Energía cinética, medida en julios (J)
m= masa, medida en kilogramos (kg)
v= velocidad, medida en metros partidos segundos (m/s)
b. Potencial gravitatoria (Ep). Es la referida a la posición de los
cuerpos en un campo gravitatorio. Su expresión es:
𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ
Siendo:
Ep= Energía potencial, medida en julios (J)
m= Masa, medida en kilogramos (kg)
g= Gravedad, aceleración que en la superficie de la
Tierra es de 9,8 m/s2
h= altura del cuerpo sobre la superficie, medida en metros
(m)
c. Potencial elástica (Ep). Es la energía que hace que se
prdouce en los medios elásticos.
𝐸𝑝 =1
2· 𝑘 · 𝑥2
Siendo:
Ep= Energía potencial elástica, medida en julios (J).
k= Coeficiente de elasticidad, diferente para cada
material y que se mide en (N/m)
x= Deformación del material, medida en metros (m).
2. Térmica/ calorífica. Es la producida por el movimiento de las
partículas de la materia y los choques entre ellas. Esta energía se
conoce comúnmente como calor.
3. Eléctrica. Es la producida por el movimiento de las cargas eléctricas
(electrones principalmente) en materiales conductores.
4. Radiante. Es la producida por ondas electromagnéticas. Ejemplos de
esta energía son la Luz Solar (UV, UR,…), ondas de radio,…
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5. Química. Acumulada en alimentos y combustibles. Se manifiesta en
las reacciones químicas, por ejemplo la combustión de combustibles.
6. Nuclear. Acumulada en el núcleo átomos que se libera con las
reacciones de fusión (unión de átomos pequeños, isótopos de
hidrógeno por ejemplo) o de fisión (rotura de átomos grandes, de
uranio enriquecido por ejemplo).
7. Sonora. Es el producido por ondas sonoras que hacen vibran las
partículas del medio donde se propagan. Necesitan de un medio
material para poder producirse, por ejemplo el agua, el hormigón o
el aire. La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s.
c. Formas de encontrar la energía
Las formas de encontrar la energía según como se manifiesta, se han
explicado anteriormente pero según la forma en que se encuentra en la
naturaleza, si de forma directa o en su forma transformada:
1. Primaria.
Se encuentran de forma espontánea en la naturaleza y se pueden
utilizar directamente pero no almacenarse. Se emplean para producir
energía secundaria. Su aprovechamiento directo es limitado, por
ejemplo la energía calorífica se puede aprovechar para calentarnos
pero no para encender aparatos. Otro ejemplo sería la energía química
de los combustibles que no puede aprovecharse directamente para
producir electricidad sino que ha de transformarse.
2. Secundaria.
No se encuentra directamente en la naturaleza sino que es producida
por una transformación energética. Se puede consumir directamente o
almacenar y principalmente es la energía eléctrica.
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d. Transformaciones energéticas.
La energía está en continua transformación y pasa de una forma otra. De la
forma original en la que se manifiesta, ésta va transformándose en formas
menos útiles y aprovechables. Por ejemplo, las pérdidas de calor en la
electricidad (Efecto Joule) no suele aprovecharse. Otro ejemplo es la energía
acumulada en un volcán, donde la fuerza mecánica de la roca fundida sale
al exterior y se va disipando en calor, no pudiendo aprovechar la energía
acumulada.
La observación de los fenómenos relacionados con la energía nos lleva a
definir lo que se conoce como Principio de conservación de la energía como:
"La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de
unas formas en otras"
Analizando este principio podemos sacar las conclusiones de que la energía
total es constante, antes y después de la transformación. Sin embargo, las
transformaciones hacen que se vaya degradando la energía en formas menos
útiles.
Por ejemplo, la cantidad de energía química acumulada de un litro de
gasolina se transforma en diferentes formas de energía, sin embargo la energía
que necesitamos y buscamos (energía mecánica) sólo es una parte del total.
Esta trasformación que se produce en un vehículo sigue el siguiente esquema:
Gases y partículas
tubo escape
Movimiento
Gasolina
Ruido
Calor motor
Carga batería
Energía
Química
Energía
Química
Energía
Eléctrica
Energía
Mecánica
Energía
Sonora
Energía
Calorífica
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Como vemos en el esquema anterior, la energía inicial (química) se transforma
en muchos otros tipos de energía. Solo la energía mecánica sirve para el
propósito del vehículo, es decir, es la energía útil de la máquina que
transforma la energía. Los otros tipos de energía, el sonido y el calor
principalmente, no son aprovechables en un motor de un vehículo y por tanto
forman parte de la energía no útil. Al no aprovecharse esta energía, se dice
que la energía se degrada pues el resultante de la energía útil sobre el inicial
en cada proceso de transformación se va reduciendo.
Otros ejemplos de transformaciones donde se degrada la energía es el calor
de la resistencia eléctrica o la pérdida energía mecánica por el rozamiento.
Ejercicio 1.1. Indica qué transformaciones se producen en las máquinas o aparatos siguientes. Destaca
cuál de todas ellas es la principal (Energía útil). Sigue el ejemplo siguiente:
● Motor eléctrico:
Energía eléctrica en: Energía mecánica, Sonora y calorífica. La energía mecánica es
la principal, las demás degradan.
● Motor combustión
● Estufa eléctrica
● Cocina gas
● Lámpara
● Altavoz
● Panel solar fotovoltaico
● Pila
● Central térmica
● Zapata freno
Ejercicio 1.2. Dibuja un esquema las transformaciones energéticas (cómo el de la página anterior de un
motor de combustión) que se producen en las siguientes máquinas:
● Motor eléctrico.
● Lámpara.
● Central térmica.
● Altavoz.
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e. Rendimiento,
Se entiende como rendimiento la relación de trabajo real entre trabajo
teórica. Mide el porcentaje de utilidad que tiene una máquina en su
transformación.
Sigue la siguiente expresión:
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜:𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 ú𝑡𝑖𝑙
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑥 100
La energía útil es la considerada como la energía que deseamos en una
transformación energética. La energía no útil es la que no puede
aprovecharse para el objetivo que tiene la máquina de la trasformación.
Por último, la energía total será la suma de la energía útil más la energía no
útil, es decir, según el principio de la conservación de la energía total se
puede considerar como la energía inicial.
Siguiendo el ejemplo del motor de combustión de la página 5.
La energía útil es la energía mecánica, pues el objetivo de un motor es el
movimiento. La energía sonora, calorífica o química no se puede
aprovechar, de manera que pueden considerarse energía no útil. La suma
de la útil y la no útil es la energía total que, según el principio de la
conservación de la energía será igual a la energía química de la gasolina.
Gases y partículas
tubo escape
Movimiento
Gasolina
Ruido
Calor motor
Carga batería
Energía
Química
Energía
Química
Energía
Eléctrica
Energía
Mecánica
Energía
Sonora
Energía
Calorífica
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Como se observa en el esquema, la energía útil respecto al total es pequeño,
por lo que el rendimiento será bajo (en torno al 27 %). Ejemplos de rendimiento
de otras máquinas son:
Motor eléctrico. 75
Motor gasolina 27
Maquina vapor 5
Bombilla incandescente 5
Bombilla fluorescente 20
Ejercicio 1.3. ¿Cuál es la energía total de una bombilla si necesita 326 J para funcionar una hora y media
si su rendimiento es del 20%?
Ejercicio 1.4. ¿Cuál es la energía útil de un motor eléctrico si aportamos 1500 J y su rendimiento es del
75 %?
Ejercicio 1.5. ¿Qué rendimiento tiene una bombilla incandescente si aportamos una energía de 236 J y
sólo se transforman 12 J en energía lumínica?
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2. Energía mecánica, cinética y potencial.
La energía mecánica es la suma de la energía potencial y cinética. En los casos
de los ejercicios que veremos en clase, nos centraremos la energía mecánica de
los cuerpos sólidos y su variación de las condiciones de posición y su velocidad,
es decir, trabajaremos con la energía cinética y la energía potencial gravitatoria.
Para ello deberemos calcular la energía cinética y la energía potencial
gravitatoria en cada posición del cuerpo.
Principio de la conservación de la engría mecánica.
“En un sistema de fuerzas conservativas (la gravedad) la energía mecánica se
mantiene constante.”
Este principio significa que, en ausencia de fuerzas externas como el rozamiento,
la energía mecánica se mantiene constante en todos los casos, solo cambia la
energía potencial y cinética.
𝐸𝑚( 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙) = 𝐸𝑚( 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙)
𝐸𝑐(𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙) + 𝐸𝑝(𝑖𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙) = 𝐸𝑐(𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙) + 𝐸𝑝(𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙)
Ejercicio 2.1. ¿Cuál es la energía potencial que tiene un ascensor de 800 Kg situado a 380 m sobre el
suelo? (Sol. 2.979.200 J)
Ejercicio 2.2. ¿A qué altura debe de estar elevada una maceta que tiene una masa de 5Kg para que su
energía potencial sea de 80 Julios? (Sol. 1,63 m)
Ejercicio 2.3. Si la energía potencial de una pelota de golf al ser golpeada es de 80J, ¿cuál será su masa si
alcanza una altura de 30m? (272,1 g)
Ejercicio 2.4. Calcula la energía cinética de una persona de 70 kg de masa cuando se mueve a 5 m/s. (Sol.
7.875 J)
Ejercicio 2.5. Un avión vuela con una velocidad de 720 km/h a una altura de 3 km sobre el suelo. Si la masa
del avión es de 2500 kg, ¿cuánto vale su energía mecánica total? (Sol. 123.500.000 J)
Ejercicio 2.6. Calcula la velocidad de una piedra de 1 kg que cae desde 50 m altura con una energía cinética
de 300 J. (Sol. 24,5 m/s)
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3. Generación de energía eléctrica: a pequeña y gran escala.
La energía eléctrica se produce como consecuencia de dos fenómenos:
- Reacciones químicas
- Fuerzas electromagnéticas.
Ambos fenómeno producen un movimiento de las partículas con carga eléctrica
debido a la diferencia de potencial.
La generación de energía eléctrica, según el tamaño de los generadores y los
consumidores a los que sirve, puede diferenciarse en dos tipos:
- A pequeña escala, que son generadores que producen energía eléctrica
que se emplea directamente en los aparatos o lugares de consumo.
Ejemplos de ello son:
o Pila
Eléctrica
De combustible
o Grupo electrógeno
o Baterías
o Dinamo
- A gran escala, que son las centrales eléctricas y producen una gran
cantidad de energía eléctrica que sirve a muchos consumidores. Según el
combustible que usan pueden clasificarse en:
o Térmicas de carbón, petróleo o ciclo combinado (Gas natural)
o Nuclear de fisión
o Hidráulica
o Solar (fotovoltaica y termosolar)
o Eólica
o Otras
Biomasa, biogás y biodiesel
Mareomotriz.
De las mareas.
Geotérmicas.
Nuclear de fusión
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La producción de energía eléctrica en las centrales se produce
normalmente por la acción de un alternador. Este elemento hace que,
mediante la interacción de fuerzas electromagnéticas, se produzca
electricidad.
El alternador está compuesto por dos elementos principales, el estator que
permanece fijo, y el rotor que solidario a un eje gira. Este movimiento hace
que el bobinado del estator produzca energía eléctrica.
Otra forma de producir energía eléctrica a gran escala es mediante
células fotovoltaicas. Estas células están fabricadas de metales
semiconductores (silicio) que, al ser irradiadas por el sol, se produce
energía eléctrica. Este sistema es el que se basa la energía solar
fotovoltaica.
3.1. Centrales térmicas
a. Fuentes
Las centrales térmicas emplean combustibles con una gran carga
calorífica. Suelen emplearse combustibles fósiles como el carbón, gas
natural1 o petróleo y sus derivados (gasóleo, GLP,…) o combustibles de
origen orgánico (biomasa, biodiesel o biogás).
1 Las centrales térmicas de gas natural suelen denominarse de gas combinado.
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En este caso, analizaremos el funcionamiento, sus ventajas e
inconvenientes de las centrales térmicas de carbón, por ser las más
usadas en el ámbito del Estado.
b. Funcionamiento.
El funcionamiento de una central térmica de carbón sigue el siguiente
proceso y que se puede observar en la imagen posterior.
1) Se quema el carbón en una caldera produciendo una gran
cantidad de energía calorífica.
2) La energía calorífica de la caldera calienta un circuito de agua
que está en su interior. Para aprovechar al máximo este calor, la
tubería está curvada en muchos puntos (acodada) de manera
que se aumenta la superficie de la tubería en contacto con el
calor. Esta forma de la tubería se conoce como serpentín.
3) El agua de la tubería es calentada hasta temperaturas elevadas
lo que la convierte en vapor de agua. Este aumento de calor está
asociado a un aumento de la presión y, por tanto, de la fuerza del
fluido que hace mover una turbina.
4) La turbina acciona un alternado que provoca que éste produzca
energía eléctrica que es exportado a la Red Eléctrica.
5) El agua caliente, para evitar entre otras cosas la rotura de la
instalación, se enfría en torres de refrigeración de forma
troncocónica. Estas torres expulsan el vapor de agua que se
produce por la condensación que sucede al enfriar con agua o
aire la tubería de agua caliente/ vapor de agua que viene de la
turbina.
6) La tubería, con agua enfriada, vuelve a la caldera para volver a
comenzar el proceso. El movimiento del agua del circuito de agua
se produce por la acción de una bomba recirculatoria.
7) El proceso se completa con la expulsión de los gases producidos
por la combustión del carbón. Éstos son muy contaminantes y con
altos contenidos en CO2, otros Gases de Efecto Invernadero (GEI),
óxidos de nitrógeno y azufre y otras partículas sólidas. La expulsión
de los gases no se hace de forma directa y se hace pasa por filtros
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de partículas o filtros electromagnéticos, entre otros, que
disminuyen la contaminación producida.
c. Ubicación
Las centrales térmicas se producen cerca de zonas con accesibilidad al
combustible para que, de esta manera, se reduzcan los costes
económicos y los problemas logísticos.
Ejemplos de estos lugares son:
o Para centrales de carbón, zonas mineras y zonas cercanas a puertos
marítimos y líneas férreas (acceso a carbón de importación)
o Para centrales de petróleo o de ciclo combinado, cercana a puertos
marítimos (acceso a petroleros y a barcos con gas licuado) y cercana
a los gaseoductos2 y oleoductos3.
2 Tuberías que transportan gas natural desde los puertos y almacenes de gas hasta los puntos de consumo. 3 Tuberías que transportan petróleo desde los puertos y almacenes de gas hasta los puntos de consumo.
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d. Ventajas
Las principales ventajas de las centrales térmicas de carbón son:
o Coste de la energía producida relativamente económico, en
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comparación con otras.
o Combustible accesible en casi todos los países del mundo y barato.
o Tecnología ya consolida y conocida, existe desde hace muchas
décadas con lo que se conoce su funcionamiento y consecuencias.
o Parte de sus residuos se pueden aprovechar para productos de
construcción (escorias y humos de sílice en cementos puzolánicos)
e. Inconvenientes
o Contaminación aérea, produce una gran cantidad de gases que
favorecen el efecto invernadero.
o Produce una gran cantidad de partículas sólidas y óxidos (de nitrógeno
y de azufre, NOx y SOx) que, en contacto con la atmósfera, favorecen
la producción de lluvia acida.
o Es necesario una gran cantidad de combustible, por lo que estas
centrales ocupan una gran cantidad de espacio.
o Tienen un bajo rendimiento (motores de combustión) que oscila entre
el 30 % para las centrales de carbón y el 55% para las centrales de ciclo
combinado.
3.2. Centrales nucleares (de fisión)
a. Fuentes
Las centrales nucleares de fisión utilizan uranio para su funcionamiento.
Concretamente, utilizan una variedad de este conocida como uranio
U235 (uranio enriquecido) que ha sido tratado en máquinas conocidas
como centrifugadoras.
b. Funcionamiento
El funcionamiento de una central nuclear de fisión es similar al de una
central térmica con la diferencia de usar un material muy contaminante.
El complejo funcionamiento de una central nuclear de fisión se puede
resumir en los siguientes puntos:
1) Se producen, en los reactores, las reacciones nucleares que
desencadenan un proceso por el que los átomos se van dividiendo
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produciendo gran cantidad de energía calorífica. El
procedimiento, bastante complejo, puede controlarse en cierto
modo mediante barras de control de carbono que reducen las
reacciones en cadena producidas.
2) La energía calorífica calienta el agua de un circuito primario. Este
circuito estanco calienta a su vez un contenedor de agua
conectada a un circuito secundario.
3) El circuito primario, el contenedor de agua y el reactor se
encuentran en un edificio de contención (sarcófago) construido
de hormigón armado y plomo que aísla de las radiaciones.
4) El circuito secundario hace mover una turbina que acciona un
alternador.
5) El alternador produce energía eléctrica que se exporta a la red
eléctrica.
6) El circuito secundario se enfría en torres de refrigeración con agua
proveniente de fuentes cercanas o aire.
c. Ubicación
Las centrales nucleares, debido al peligro de las graves consecuencias
que tiene un accidente, se ubican alejadas de las ciudades. Debido a
ello también, se deben situar en lugares geológicamente estables y fuera
de zonas sísmicas.
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d. Ventajas
o El rendimiento por unidad de combustible es alto.
o No produce contaminación aérea.
e. Inconvenientes
o Produce residuos muy contaminantes que producen radiación durante
cientos de años.
o La construcción y mantenimiento de las centrales es elevado.
o Las consecuencias de un accidente son muy altas y afectan a un área
de influencia bastante amplia.
o No se puede parar de forma inmediata su producción lo que provoca
problemas en la regulación del sector eléctrico.
3.3. Centrales hidroeléctricas
a. Fuentes
En las centrales hidroeléctricas el recurso empleado es el agua
acumulada en presas.
b. Funcionamiento
El funcionamiento de una central hidráulica se puede resumir en los
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siguientes pasos:
1) El agua acumulada en una presa se reconduce en su evacuación
por una tubería cerrada.
2) Esta tubería desemboca en una turbina que debido a la energía
mecánica que tiene el agua hace que se mueva y, por
consiguiente, accione un alternador que produce energía
eléctrica.
3) En las horas de menor consumo eléctrico y ante la facilidad de
producción de energía eléctrica, se puede aprovechar para
bombear agua desembalsada y que se encuentra en una presa
inferior o río a la presa principal o superior.
Esquema y dibujo de una central por bombeo
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c. Ubicación
Las centrales hidráulicas se ubican en lugares con acceso abundante a
agua, por ejemplo ríos caudalosos o lagos. Además, dado la necesidad
de construcción de una presa, se deberán ubicar en lugares con unas
condiciones geográficas determinadas (estrechamientos de valles) y
zonas con unas buenas condiciones geológicas (fuera de zonas sísmicas).
d. Ventajas
o Recursos renovable y no contaminante.
o Aprovechamiento de algunos embalses construidos para la regulación
de ríos o abastecimiento de agua.
e. Inconvenientes
o Alto impacto ambiental en las zonas donde se ubican los embalses
(desplazamiento de poblaciones, inundación de pueblos y terrenos de
cultivo, desequilibrio de ecosistemas,…)
o Alto dependencia de las condiciones climáticas y existencia de agua.
3.4. Centrales eólicas
a. Fuentes
La fuente de estas centrales es la fuerza del viento.
b. Funcionamiento
Las centrales o parques eólicos están formados por varios
aerogeneradores (molinos de viento). El funcionamiento de éstos es:
1) El viento hace mover las palas del aerogenerador.
2) Las palas, conectadas solidariamente a un alternador, accionan
éste que produce electricidad.
3) La electricidad de los aerogeneradores del parque se reúnen y se
exportan a la red.
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c. Ubicación
Los parques o centrales eólicas se ubican en zonas con una climatología
adecuada (lugares con muchas horas de viento). Ejemplos de estos
lugares son los valles (Ebro) o zonas costeras (costa atlántica, Tarifa).
d. Ventajas
o Recurso renovable.
o No contamina.
o Alto rendimiento en comparación otras tecnologías renovables.
o Coste relativamente bajo.
e. Inconvenientes
o Alta dependencia de las condiciones climatológicas (existencia de
viento).
o Alto impacto visual.
o Modificación de los equilibrios de ecosistemas y las poblaciones
animales, especialmente, de aves.
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3.5. Centrales solares fotovoltaicas
a. Fuentes
La luz del Sol (radiación).
b. Funcionamiento
El funcionamiento de las centrales solares fotovoltaicas se basa en la
irradiación que sucede sobre materiales semiconductores (Silicio) con los
que están fabricadas las placas fotovoltaicas. El procedimiento se podría
resumir en:
1) Las placas solares reciben la radiación solar que, por producen un
arranque de electrones que produce la electricidad.
2) La electricidad generada por las placas se reconduce hacia una
estación que exporta a la Red.
3) Para aumentar el rendimiento de éstas, las placas cuentan con un
motor que les hace girar y así recibir “seguir” la mejor orientación
e inclinación de los rayos solares.
c. Ubicación
Se ubican en zonas con unas condiciones climatológicas adecuadas:
muchas horas de Sol y poca nubosidad.
d. Ventajas
o Es una tecnología barata en comparación con otras.
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o Permite instalarse en lugares pequeños y adaptables como cubiertas,
superficies acristaladas, pérgolas, zonas urbanas,…
e. Inconvenientes
o Bajo rendimiento, muy variable en función de ángulo de incidencia de
los rayos solares.
o Alta dependencia de horas de luz.
3.6. Centrales solares térmicas (heliotérmicas)
a. Fuentes
El calor del Sol.
b. Funcionamiento
El funcionamiento de estas centrales es similar a los colectores solares de
ACS de las viviendas, pero a gran escala. El procedimiento se podría
resumir en:
1) El calor del sol calienta los colectores solares. Éstos están formados
por cajas opacas y acristaladas.
2) La temperatura de los colectores hacen calentar el agua de las
tuberías que, formando un serpentín, se encuentran en el interior
de los colectores.
3) El agua caliente hace mover una turbina que acciona un
alternado. Éste produce electricidad que se exporta a la Red.
4) Para aumentar la cantidad de energía calorífica generada, y por
tanto el rendimiento de la central, se colocan unos espejos que
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hacen un efecto lupa sobre la instalación colectora (heliostatos).
c. Ubicación
Se ubican en zonas con unas condiciones climatológicas adecuadas:
muchas horas de Sol y zonas templadas de la Tierra.
d. Ventajas
o Es una tecnología barata en comparación con otras.
o No contamina
e. Inconvenientes
o Bajo rendimiento, muy variable en función de ángulo de incidencia de
los rayos solares.
o Alta dependencia de la temperatura y la radiación solar.
3.7. Otras
a. Geotérmica
La energía geotérmica se basa en el aprovechamiento de la
temperatura de la tierra. Su funcionamiento se basa en el de las centrales
térmicas que calientan el agua de los circuitos con el calor terrestre.
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Suelen encontrarse en zonas volcánicas como Islandia, donde la
temperatura del terreno es alta a baja profundidad.
b. Biomasa
Se usan en centrales térmicas pero con un combustible de origen
orgánico como residuos agrícolas, forestales o animales.
c. Fusión nuclear
Se basa en las reacciones nucleares de fusión donde dos átomos
pequeños (isótopos de hidrógeno normalmente) se unen generando un
átomo mayor y una gran cantidad de energía calorífica. La tecnología
sigue siendo objeto de investigación, pues no se han encontrado formas
sencillas y baratas de llevarlas a cabo.
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d. Mareomotriz
Se basa en el movimiento de las mareas que provoca el accionamiento
de una turbina instalada en instalaciones similares a presas.
e. De las olas
Aprovechan el movimiento de las olas, que no deben confundirse con las
mareas
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4. Transporte de la energía eléctrica: líneas.
La energía eléctrica no se puede almacenar, por lo que se debe transferir la
energía producida en las centrales hasta los puntos de consumo. El sistema de
suministro eléctrico, es decir, los aparatos, instalaciones y medios que tienen
como objetivo la unión de los puntos de y los puntos de consumo.
Dentro del sistema de suministro eléctrico se pueden diferenciar tres
actividades:
- La generación, que produce energía necesaria para satisfacer el consumo
en las centrales eléctricas (vistas en el apartado anterior).
- El transporte, que transfiere la energía producida hasta los centros de
consumo.
- La distribución, que hace posible que llegue la energía hasta los clientes
finales (hogares, comercios o industrias).
Transporte y distribución de energía.
El transporte de electricidad se realiza a través de líneas de transporte a
tensiones elevadas que, con las subestaciones, forman la red de transporte.
La tensión se eleva para reducir al máximo las pérdidas que se producen en
el transporte a una misma potencia, pues la intensidad de corriente es menor
y por tanto la pérdida de electrones por unidad de tiempo (Recordar la
expresión P=V*I, a igual potencia y mayor voltaje, la intensidad es menor). La
alta tensión se eleva desde las centrales generadoras en subestaciones
eléctricas elevadoras.
Sin embargo, las altas tensiones no son aptas para el consumo directo y deben
de bajar la tensión a media y baja tensión. Estas transformaciones se producen
en subestaciones eléctricas que reducen la energía eléctrica. La bajada de
tensión a medias y bajas se hacen de forma gradual. Las tensiones medias, en
algunos casos, se pueden utilizar para su consumo directo en industrias de
gran tamaño. Las bajas tensiones son para su consumo en casi todos los casos
(220V-380V)
La distribución de la electricidad que llega hasta los puntos de consumo se
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produce a través de cables enterrados o aéreos (más comunes en zonas
rurales donde hay menos puntos de consumo). La distribución hasta los
hogares se puede hacer en diferentes formas de redes con el objetivo de
tener un sistema compartimentado que asegure la distribución en caso de
averías y su detección inmediata.
Las líneas de transporte de energía eléctrica están fabricadas de aluminio o
cobre, siendo las primeras las utilizadas para las líneas de alta tensión y las
últimas, para las líneas de distribución hasta las viviendas y otros puntos de
consumo.
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5. La energía eléctrica en casa: caja de control y mando.
La distribución de energía eléctrica tiene como fin los puntos de consumo
como viviendas, comercios o industrias. En el caso de las viviendas, las
instalaciones que existen desde las redes de distribución (operadas por
empresas eléctricas) hasta el último sistema de o instalación que podemos
encontrar en casa (enchufes, interruptores,…) son:
- Acometida. Instalación que conecta la red de distribución hasta el edificio.
- Caja General de Protección (CGP) o Caja de Protección y Medida (CPM).
Protegen el exceso o picos de corriente de la Red en las instalaciones del
edificio. Si sólo sirve a un usuario, la CGP se integra con el contador en la
CPM.
- Línea General de Alimentación (LGA). Es la línea que unen las CGP con el
contador.
- Contador. Mide la energía eléctrica consumida.
- Derivación individual. Une la instalación comunitaria (LGA), con las
instalaciones domésticas.
- Instalación doméstica. Es la instalación eléctrica de cada usuario y que se
encuentra en lugares privados.
En la instalación doméstica destacaremos los aparatos de distribución
(cables), terminales (interruptores, lámparas, enchufes) y de control y
protección (fusibles y cuadro de mando y protección).
Cuadro de mando y protección.
Los cuadros de mando y protección son los lugares que contienen los
diferentes elementos de protección del circuito eléctrico de la vivienda. Se
sitúan en la parte más próxima al exterior de la vivienda, normalmente detrás
de la puerta de acceso.
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Los elementos que contiene el cuadro de mando son:
- Interruptor de Control de Potencia (ICP). Controla la potencia contratada
por la instalación eléctrica doméstica. Es propiedad de la compañía
eléctrica.
- Interruptor General Automático (IGA). Protege de cortocircuitos (Aumento
brusco de intensidad en la corriente eléctrica de una instalación por la
unión directa de dos conductores de distinta fase).
- Interruptor Diferencial (ID). Protege y desconecta la instalación cuando se
produce un escape de corriente. Las fugas de corriente se producen
cuando existe un desequilibrio entre la corriente entrante y saliente no
cerrándose el circuito. De ocurrir esto, puede producirse un cierre del
circuito en el cuerpo humano, es decir, el ID impide que nos
electrocutemos cuando manejemos la instalación eléctrica.
- Pequeños Interruptores Automáticos (PIAs). Protege de las sobrecargas y
cortocircuitos de diferentes elementos de la casa. Depende de cada
vivienda y algunos ejemplos son: Iluminación, Cocina y horno, Aire
acondicionado,…
El ICP, IGA y los PIAs, son interruptores que se denominan magnetotérmicos. Al
contrario que el ID que cortan la electricidad cuando existe un desequilibrio
de corriente; los magnetotérmicos la cortan por un funcionamiento
magnético o térmico.
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6. Potencia y energía: medida de la energía eléctrica. El Kwh. Problemas.
La energía es la cantidad de trabajo que un sistema es capaz de producir. Se
mide en SI en Julios (J). Otra unidad habitual, especialmente en energía
eléctrica, es kWh (kilovatio hora).
La potencia es la cantidad de energía que consume un aparato en función
del tiempo. En corriente continua, Se mide en Vatios (W), aunque es muy
común verla en kW.
La relación entre potencia y energía se expresa según la definición de
potencia, es decir:
𝑃 =𝐸
𝑡
Siendo cada elemento:
P, potencia. Se mide en Vatios (W)
E, energía. Se mide en Julios (J)
t, tiempo. Se mide en segundos (s)
Ejercicio ejemplo 6.1.
Calcula la energía generada por una lámpara de 10 W que está conectada durante media hora.
Datos:
P= 10W
E= ?
t= 0,5 h= 30 min = 1’8 · 103 s
Resolución.
En primer lugar debo poner todas las unidades en Sistema Internacional. Se pide averiguar qué
energía se consume y por tanto debo despejar la expresión P=E/t obteniendo que:
E=P · t = 10 W · 1’8 · 103 s = 1’8 · 104 J
Siguiendo estas operaciones, podemos hallar la energía en unidades más comunes en
electricidad (kWh), para ello utilizaré los siguientes datos.
E=P · t = 10 W · 0,5 h = 5 Wh = 5’0 · 10-3 kWh
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Ejercicio ejemplo 6.2.
Calcula la energía que consumen las instalaciones de un salón durante un mes si estamos en el en él
durante 2 horas al día. Los aparatos que tiene el salón son los siguientes:
- Televisión de 150 W.
- 6 Lámparas de 10 W
- Ordenador de 100 W.
- Aire Acondicionado de 1500 W.
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La potencia contratada para una vivienda con una compañía eléctrica nos
permite conocer qué cantidad de aparatos podemos conectar a la red. Por
ejemplo, podemos estimar que potencia contrataremos si estimamos el
número de aparatos que tenemos en la vivienda así como su potencia
individual. Por otra parte, una vez calculada la potencia eléctrica y su tiempo
de uso, podemos calcular qué cantidad de energía se ha consumido. Si
conociéramos el coste de cada unidad de energía, podríamos averiguar cuál
sería el coste de nuestra factura eléctrica.
Ejercicio ejemplo 6.1.
Calcula el coste de la energía consumida en un mes por una estufa eléctrica de 200 W si está encendida
durante 2 horas al día. El precio del kWh es de 0,15 €.
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7. Factura eléctrica: potencia contratada, consumo, alquiler de contadores,
impuesto (IVA). Ejemplos.
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8. Consejos a la hora de hacer ejercicios.
a. Lee muy bien el enunciado.
b. Vuelve a leer el enunciado y subraya toda la información importante que
creas que te ayude a resolver el problema. Detecta qué es lo que te está
preguntando.
c. Averigua qué fórmulas o expresiones necesitas para resolverlo con los
datos que tienes.
d. Cambia con factores de conversión todas las unidades a Sistema
Internacional (excepto cuando sean unidades compuestas no SI, por
ejemplo los kWh)
e. Despeja la expresión que hayas deducido a una expresión que te dé los
resultados que buscas.
f. Sustituye los datos que necesites, puede que haya datos que no sean
necesarios.
g. Resuelve el problema.
h. Señala la solución, no te olvides de escribir las unidades. No es lo mismo
100 s que 100 años.
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9. Enlaces
- Funcionamiento de las centrales eléctricas
http://www.unesa.es/sector-electrico/funcionamiento-de-las-centrales-
electricas
- Distribución de centrales eléctricas en España
http://www.ree.es/sites/default/files/downloadable/mapa_centrales_2013.pdf
- Funcionamiento de la creación de la electricidad.
http://blogs.publico.es/ignacio-martil/2016/09/30/como-se-obtiene-la-energia-
electrica
- Lluvia ácida producida por la central térmica de Andorra (Teruel)
http://elpais.com/diario/1989/12/16/sociedad/629766012_850215.html
- Consecuencias de la construcción de embalses.
http://elpais.com/diario/2006/05/21/sociedad/1148162401_850215.html
https://www.youtube.com/watch?v=zEl0YOoXtvs
- Ciudades sostenibles con energías renovables, Masdar (EAU)
http://www.elmundo.es/elmundo/2008/01/21/ciencia/1200936041.html
- Energía nuclear de fusión, caso del ITER
http://www.fgcsic.es/lychnos/es_ES/articulos/iter_y_la_energia_de_fusion
- La red eléctrica
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/el-
transporte-de-electricidad/xv.-la-red-electrica