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ENERGAS RENOVABLESConceptos y Aplicaciones

Santiago J. Snchez MioM.Sc. Energas Renovables M.E.E. Master Electrical Engineering Ingeniero Elctrico

WWF - Fundacin NaturaQuito, Junio 2003

Energas Renovables: Conceptos y Aplicaciones

Santiago Snchez Mio

PRLOGO

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AGRADECIMIENTOS

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INTRODUCCIN ...............................................................................................................1 CAPTULO 1: ENERGA..............................................................................................3 Definicin de Energa ................................................................................................ 3 Energa Potencial y Energa Cintica ....................................................................... 4 Formas de la Energa ................................................................................................. 5 Eficiencia Energtica ................................................................................................. 6 Potencia y Energa ..................................................................................................... 6 Voltaje ....................................................................................................................... 7 Corriente .................................................................................................................... 8 Resistencia ................................................................................................................. 8 Ley de Ohm ................................................................................................................... 9 CAPTULO 2: FUENTES DE ENERGA...................................................................10 Historia .................................................................................................................... 10 La Energa en el Mundo .......................................................................................... 10 La Energa en el Ecuador......................................................................................... 11 Clasificacin de las Fuentes de Energa .................................................................. 13 CAPTULO 3: ENERGAS NO RENOVABLES .......................................................14 Gas Natural .............................................................................................................. 14 Petrleo .................................................................................................................... 15 Carbn...................................................................................................................... 16 Energa Nuclear ....................................................................................................... 16 CAPTULO 4: CONTAMINACIN AMBIENTAL ..................................................18 Calentamiento Global .............................................................................................. 18 Efectos de las Emisiones ......................................................................................... 19 CAPTULO 5: EL SOL................................................................................................21 Energa Solar ........................................................................................................... 21 Radiacin Solar........................................................................................................ 22 El Espectro Electromagntico.................................................................................. 23 Radiacin Solar en el Ecuador................................................................................. 27 Aplicaciones de la Energa Solar ............................................................................. 28 CAPTULO 6: ELECTRICIDAD DEL SOL..............................................................29 Estructura del tomo ............................................................................................... 29 Efecto Fotoelctrico................................................................................................. 30 Funcionamiento de la Celda Solar ........................................................................... 30 Unin n-p ................................................................................................................. 32 Efecto de la Luz en la Unin n-p ............................................................................. 33 Circuito Equivalente de la Celda Solar.................................................................... 34 Curva Corriente-Voltaje de la Celda Solar .............................................................. 35 Efectos de la Radiacin y la Temperatura ............................................................... 36 Eficiencia de la Celda Solar..................................................................................... 37 Tipos de Celdas Solares........................................................................................... 38 Conexin de Celdas Solares .................................................................................... 39 Sistema Solar Residencial........................................................................................ 40 Controlador de Carga................................................................................................... 41 Banco de Bateras ........................................................................................................ 41 Inversor........................................................................................................................ 42 Grupo Electrgeno o Respaldo de Energa Adicional................................................. 42 Centros de Carga o Tableros Elctricos ...................................................................... 42 Otros Accesorios y Equipos ........................................................................................ 42 Medidores ................................................................................................................ 42 Cableado .................................................................................................................. 43 iii


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Conexin a Tierra .................................................................................................... 43 Pararrayos ................................................................................................................ 43 Iluminacin.............................................................................................................. 43 Aparatos Elctricos.................................................................................................. 43 Diseo de un Sistema Solar Residencial ................................................................. 43 Procedimiento.............................................................................................................. 44 Disponibilidad del recurso....................................................................................... 44 Datos de radiacin solar .......................................................................................... 45 Estudio de carga ...................................................................................................... 45 Dimensionamiento de los equipos........................................................................... 47 Costos ...................................................................................................................... 50 Integracin de los Sistemas Fotovoltaicos............................................................... 53 Sistemas Aislados ........................................................................................................ 53 Sistemas Conectados a la Red ..................................................................................... 53 Centrales Solares de Generacin ................................................................................. 54 CAPTULO 7: CALENTAMIENTO SOLAR.............................................................56 Conceptos Bsicos de Termodinmica .................................................................... 56 Calor y Temperatura.................................................................................................... 56 Calor Especfico .......................................................................................................... 56 Primera Ley de la Termodinmica .............................................................................. 56 Segunda Ley de la Termodinmica ............................................................................. 57 Formas de Transferencia de Calor............................................................................... 58 Conduccin.............................................................................................................. 58 Conveccin .............................................................................................................. 59 Radiacin ................................................................................................................. 59 Colectores Solares ................................................................................................... 59 Funcionamiento del Colector Solar ............................................................................. 60 Orientacin e Inclinacin del Colector........................................................................ 62 Eficiencia del Colector Solar Plano............................................................................. 63 Absortividad y Superficies Selectivas ..................................................................... 64 Radiacin Crtica ..................................................................................................... 64 Caudal de Agua ....................................................................................................... 64 rea del Colector y Calor til................................................................................. 65 Sistemas de Calentamiento de Agua con Colectores Solares .................................. 66 Termosifn .................................................................................................................. 66 Sistema de Bomba ....................................................................................................... 66 Diseo de Sistemas de Calentamiento Solar ........................................................... 67 Demanda de Agua Caliente ......................................................................................... 67 Produccin Energtica Anual del Colector ................................................................. 68 Demanda Energtica Anual ......................................................................................... 68 rea del Colector......................................................................................................... 69 Tanque de Almacenamiento ........................................................................................ 69 Bomba y Sistema de Control ....................................................................................... 69 Calentamiento de Agua para Piscinas ......................................................................... 70 Otros Usos del Calentamiento Solar........................................................................ 71 Secado de Granos ........................................................................................................ 71 Desalinizacin de Agua ............................................................................................... 72 Cocinas Solares ........................................................................................................... 72 Arquitectura Solar Pasiva ............................................................................................ 72 CAPTULO 8: LA ENERGA DEL VIENTO.............................................................75 Pasado y Presente .................................................................................................... 75 iv


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La Fuerza del Viento ............................................................................................... 76 Origen de los Vientos .................................................................................................. 76 Potencia del Viento...................................................................................................... 76 Densidad del Aire, Presin y Temperatura.................................................................. 77 Tipos de Aerogeneradores ....................................................................................... 79 Funcionamiento del Aerogenerador ........................................................................ 81 Fuerzas sobre la Pala ................................................................................................... 81 ngulo de Ataque........................................................................................................ 82 Potencia del Aerogenerador ........................................................................................ 83 Energa del Viento ................................................................................................... 85 Estacin de Medicin del Viento................................................................................. 86 Velocidad y Clase del Viento ...................................................................................... 86 Intervalo de Mediciones .............................................................................................. 87 Rugosidad del Terreno ................................................................................................ 89 Distribucin de Weibull .............................................................................................. 91 Curva de Potencia del Aerogenerador ......................................................................... 92 Clculo de la Produccin de Energa de un Aerogenerador........................................ 93 Sistema Elico Residencial...................................................................................... 95 Bombeo de Agua ..................................................................................................... 96 CAPTULO 9: BIOENERGA......................................................................................97 Introduccin ............................................................................................................. 97 Biomasa ................................................................................................................... 98 La Fotosntesis ......................................................................................................... 99 Caractersticas de la Biomasa ................................................................................ 100 Utilizacin de la Biomasa...................................................................................... 101 Biofuerza................................................................................................................ 101 Combustin Directa................................................................................................... 101 Combustin Mixta ..................................................................................................... 102 Gasificacin ............................................................................................................... 102 Digestin Anaerbica ................................................................................................ 103 Produccin de Metano ........................................................................................... 104 Factores que Afectan la Produccin de Metano .................................................... 105 Tipos de Digestores ............................................................................................... 106 Uso del Biogs: Calor y Electricidad .................................................................... 109 Diseo y Capacidad del Biodigestor ..................................................................... 110 Biocombustibles .................................................................................................... 114 Etanol......................................................................................................................... 115 Biodiesel .................................................................................................................... 116 CAPTULO 10: OTRAS TECNOLOGAS ..................................................................118 Hidroelectricidad ................................................................................................... 118 Potencial Hidroelctrico ............................................................................................ 118 Tipos de Turbinas ...................................................................................................... 119 Instalaciones .............................................................................................................. 120 Medicin de Caudal................................................................................................... 121 Aplicaciones en el Ecuador ....................................................................................... 122 Energa Geotrmica ............................................................................................... 122 El Hidrgeno La Energa del Futuro?.................................................................. 123 La Celda de Hidrgeno o Celda de Combustible ...................................................... 124 Aplicaciones del Hidrgeno como Combustible ....................................................... 125 Produccin y Almacenamiento del Hidrgeno.......................................................... 126 El Siglo XXI: el Siglo del Hidrgeno........................................................................ 128 v


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La Energa del Mar ................................................................................................ 128 Energa de las Olas .................................................................................................... 128 Fuerza Mareomotriz .................................................................................................. 128 Energa Ocano Trmica ........................................................................................... 129 Medios de Almacenamiento de Energa ................................................................ 129 CAPTULO 11: HACIA UNA POLTICA ENERGTICA INTEGRAL EN EL ECUADOR........................................................................................131 Dependencia e Independencia Energtica ............................................................. 131 Nueva Estructura del Sector Elctrico ................................................................... 131 Integracin del Usuario.......................................................................................... 133 Basura y Transporte............................................................................................... 134 Eliminacin de Barreras a las Energas Renovables.............................................. 134 Financiamiento ...................................................................................................... 135 Aspectos Legales ................................................................................................... 136 El Dilema del Futuro: Energas Renovables o Fin ................................................ 136 BIBLIOGRAFA ...........................................................................................................137 SITIOS INTERNET ...........................................................................................................140 NDICE DE MATERIAS...................................................................................................142 SOBRE EL AUTOR...........................................................................................................146

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ENERGAS RENOVABLES: Conceptos y AplicacionesINTRODUCCINTodas las actividades que desarrollamos en nuestra vida diaria estn relacionadas con la energa. Al ingerir alimentos o tomar un refresco cargamos nuestro cuerpo con energa que ser luego utilizada en una actividad fsica o intelectual. De este modo la energa que almacena nuestro cuerpo se va transformando en trabajo en mayor o menor grado. Al usar un medio de transporte estamos empleando la energa interna del combustible para generar el movimiento. Cuando grandes buques transportan su carga, utilizan igualmente combustibles para desplazarse. La electricidad tambin es otra forma de energa. En las oficinas, en el hogar o en la escuela, utilizamos la energa elctrica para iluminar, para mover un motor o para producir calor en una plancha o en un tanque de agua caliente. Las mismas plantas son pequeos mecanismos que transforman la energa del Sol en alimentos que les sirven para crecer. Al ingerir estos alimentos, en parte estamos tomando esa energa del Sol para nuestro beneficio. Podemos afirmar entonces, que el mundo no podra existir sin energa. Desde sus inicios, los seres humanos han buscado los medios para aprovechar la energa para su propio beneficio. El descubrimiento del fuego en los albores de la civilizacin permiti disponer de calor y trabajar los metales para la fabricacin de herramientas y de armas. La fuerza del agua o del viento, facilit el procesamiento de los alimentos y granos en los molinos. Posteriormente, en la era industrial la invencin de la mquina de vapor dio a los seres humanos la posibilidad de producir grandes fuerzas para sus actividades de trabajo. Ms adelante, la introduccin de los motores de combustin interna que consumen combustibles fsiles derivados del petrleo llev a la civilizacin a disfrutar de un alto grado de confort en el hogar y en el trabajo. Cada vez el hombre va descubriendo nuevas formas de aplicar la energa de forma ms eficientemente, aprovechando al mximo la capacidad energtica de la materia. Paralelamente, se va creando una conciencia de que el desperdicio de la energa y su uso excesivo, afectan el equilibrio de la naturaleza. En los dos ltimos siglos, el consumo de energa a nivel mundial creci enormemente pues en menos de cien aos hemos pasado del transporte a caballo y barcos de vela o vapor a vehculos de cientos de caballos de fuerza que alcanzan velocidades de cientos de kilmetros por hora. Actualmente, podemos llegar en pocas horas a los extremos del globo, por o que decimos que las distancias se han acortado y el tiempo ha cobrado significativa importancia. Sin embargo, la cantidad de energa necesaria para que esto se lleve a cabo es mucho mayor. Por todas estas consideraciones, es importante hacer varias reflexiones: Hasta dnde llegar la civilizacin en el uso libre e ilimitado de la energa? Hasta cundo podr la tierra proveernos de los recursos necesarios para este mecanismo funcionando? Qu 1


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efectos ocasiona el consumo de la energa y qu alternativas existen para reducir la dependencia de los combustibles fsiles? Existen otras formas de generacin, produccin y distribucin de energa elctrica? A travs de este texto de referencia de energas renovables se busca introducir de una manera general el tema de la energa, sus caractersticas, propiedades, sus diferentes formas, aplicaciones, restricciones y consecuencias. Adems, se pretende hacer un primer acercamiento a las energas renovables, evidenciando sus ventajas y desventajas, su posibilidad de aplicacin de diferentes sitios y haciendo una comparacin con las energas tradicionales. El alcance de este texto no pretende ser exhaustivo sino ms bien prctico en cuanto al conocimiento general de las energas renovables y su aplicacin. Igualmente, a lo largo del texto se da referencias de sitios Web o bibliografa relacionada al tema que trata cada captulo. Finalmente, y para hacer ms completo el conocimiento del tema de un captulo, se dan ejemplos de aplicacin de la teora a fin de familiarizar al lector con los conceptos descritos, las magnitudes, los problemas prcticos y las posibilidades de aplicacin en casos especficos.

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CAPTULO 1:

ENERGA

La naturaleza es un gran reservorio de almacenamiento de energa, a travs de las plantas, los animales y todos los elementos, ya sean estos vivos o inanimados. Podemos citar varios ejemplos. Si vemos una cada de agua y la fuerza con que esa masa choca con la base del ro nos impresionamos por la energa que se produce. En una tormenta de rayos nos mantenemos temerosos por la energa que tiene un rayo y los daos que puede ocasionar. Un huracn nos muestra la gran energa que los vientos pueden producir en la tierra o en el mar. Las olas al chocar con toda su fuerza en un acantilado o al llegar a la playa nos mantienen alejados. Qu decir de la energa que libera un volcn al erupcionar o cuando despierta de su letargo con una explosin de lava y ceniza. Al ver el Sol y esas imgenes de explosiones de miles de kilmetros que se producen en la superficie podemos imaginarnos la cantidad de energa que se produce y que a pesar de la distancia, llega a la Tierra. Asimismo, los seres humanos son tambin un mecanismo que transforma la energa de los alimentos para sobrevivir. Cuando una persona est decada o cansada decimos que no tiene energa. La energa se asocia entonces con el movimiento, la actividad, o la fuerza vinculada a la actividad que podra generarse.

Definicin de EnergaCuando hablamos de energa pensamos en el concepto de fuerza y muchas veces empleamos ambos trminos indistintamente. Mientras ms fuerza ejerce un cuerpo se requiere ms energa, y si una misma fuerza se mantiene durante un mayor tiempo esto igualmente demanda mayor energa. Por ejemplo, al empujar un carro, estamos ejerciendo una fuerza en una direccin. Mientras mayor es la distancia a la que movemos el carro estamos haciendo un mayor trabajo. La definicin clsica de trabajo es una fuerza por una distancia, simblicamente:

W = F.d

(1.1)

Donde: F = fuerza, y de mide en Newtons, recordemos que la fuerza a su vez es una masa por una aceleracin, es decir [N] = [kg.m/s2] d = distancia, y se mide en metros [m] W = trabajo, y la unidad es el Joule [J] = [N.m] La energa se define como la capacidad para producir trabajo1. De aqu que la unidad de la energa es la misma que la del trabajo, el Joule [J]. Si jugamos un poco con las unidades J = kg m/s2. m = kg . m2/s2 ; como velocidad es igual a distancia sobre tiempo v= m/s, entonces J = kg. v2. Fue Albert Einstein (1879 1955) quien descubri que esta velocidad no es otra que la de la luz y dedujo su famosa frmula:Por lo general esta definicin se aplica a la materia, a pesar de que tambin sabemos que existe la energa psquica o mental, que an no sabemos cmo aprovecharla, pero hay evidencias de personas que con su mente pueden doblar metales o mover objetos. Es decir estn efectuando un trabajo Qu tipo de energa es sta y quin nos asegura que en el futuro no podamos aprovechar de esta energa no material en las mquinas?1

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E = m. c 2Donde: E = Energa y se mide en Joules [J] m = Masa y se mide en kilogramos [kg] c = Velocidad de la luz y se mide en [m/s] igual a 3,0x108 m/s

(1.2)

Esta frmula nos muestra que la energa y la materia son intercambiables, siempre y cuando se produzca a la velocidad de la luz. El cientfico ingls Thomas Young (1773 1829) introdujo por primera vez el trmino energa tomando la palabra griega energeia, que quiere decir eficacia. El agua al caer puede mover la rueda de un molino o una turbina que produce un movimiento. Este movimiento permite moler los granos entre dos ruedas de piedra o mover un generador elctrico. El trabajo final es el resultado de la liberacin de energa. Por ejemplo, en el caso de un motor de combustin interna la energa proviene del combustible que se quema, mientras que el motor es un mecanismo que permite realizar un trabajo.

Energa Potencial y Energa CinticaToda masa tiene energa. Si esta masa est en reposo esa energa se denomina energa potencial, y su ejemplo ms caracterstico es el agua en el embalse de una central hidroelctrica. Puede producir trabajo solamente cuando impacta los labes o palas de la turbina. Mientras ms alto est el embalse, ms energa podemos obtener de esa masa, y entonces, el agua baja con mayor fuerza. Esto se explica porque cuando levantamos un peso gastamos cierta cantidad de energa para llevarlo del suelo hasta una altura determinada. Eso significa que hemos logrado almacenar energa. Si de alguna forma dejamos que ese peso descienda a su posicin original, la energa almacenada se libera en forma de calor por friccin o transfiriendo esa fuerza al suelo. Por ejemplo, es como si tomramos un resorte con uno de sus extremos atado al suelo y lo halramos hacia arriba. Cuando lo soltamos, se produce una tensin hacia el suelo que permite volver el resorte a su posicin inicial. Por su parte, la energa potencial est relacionada entonces con la masa, la altura y la aceleracin de la gravedad y se representa por la frmula:

Ep = m.g .h

(1.3)

Donde: Ep = Energa potencial y se mide en Joules [J] m = masa y se mide en kilogramos [kg] g = aceleracin de la gravedad y se mide en m/s2. En la Tierra es igual a 9,81 m/s2 h = altura a la que est ubicada la masa y se mide en metros [m] Verifiquemos las dimensiones, ya que debe darnos Joules: kg.m/s2.m = kg.m2/s2 = N.m = J Es importante tomar en cuenta que la energa de una planta, un animal o un combustible no es energa potencial, sino energa qumica, como veremos ms adelante. 4


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La masa de agua que fluye en un ro a cierta velocidad, la masa de aire que impacta en un molino de viento o el vapor que mueve una turbina tienen una energa cintica. Es decir, energa en movimiento que es la que efectivamente produce el trabajo. Para producir esta energa debemos llevar la masa desde su posicin de reposo a la de movimiento mediante la accin de una fuerza. Esa fuerza no se transfiere instantneamente sino que ha debido tomar un tiempo. En reposo la velocidad es cero (velocidad inicial vo) para llegar luego de un tiempo a una velocidad mxima (velocidad final vf). Si queremos encontrar la energa en un momento determinado deberamos tomar la velocidad media v=1/2 (vo + vf). Como energa es masa por velocidad al cuadrado, la energa cintica es:

Ec =Donde:

1

2

m.v 2

(1.4)

Ec = Energa cintica y se mide en Joules [J] m = Masa y se mide en kilogramos [kg] v = Velocidad y se mide en m/s La energa de un cuerpo en un momento determinado es la suma de su energa potencial ms su energa cintica. Mientras el agua est en el embalse tiene una energa potencial mxima. A medida que cae, va reduciendo su energa potencial y aumentando su energa cintica y al impacto con la turbina, la energa cintica es mxima y la potencial mnima.

Formas de la EnergaLa energa se manifiesta de las siguientes formas:Forma Trmica Radiante Mecnica Tabla 1.1 Formas de Energa Origen Produccin Friccin, combustin, Solar, geotrmica, energa cintica electricidad, qumica, Sol, electricidad, radiacin Energa potencial Electromagnetismo, piezoelectricidad, electricidad esttica, pilas y bateras Combustibles, plantas, animales, elementos qumicos, biomasa Tierra Tierra, imanes tomo Solar, electricidad, qumica Elica, Hidrulica, Mareomotriz, resortes Centrales trmicas, centrales hidrulicas, fotovoltaica, celdas de combustible, pilas y bateras Biomasa, petrleo, gas, carbn Hidrulica Electricidad Centrales nucleares Usos Cocinar, calefaccin, vapor Iluminacin, comunicaciones, medicina Mover mquinas Motores, electrnica, calentamiento, almacenamiento de energa Motores de combustin interna, cocinar alimentos, transformacin qumica Mover mquinas Electromagnetismo Centrales nucleares, electromedicina, radiologa

Elctrica

Qumica

Gravitacional Magntica Nuclear

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Eficiencia EnergticaUna forma de energa puede transformarse en otra como consecuencia de un proceso, generalmente por la accin de una mquina. Es as como el agua que cae en una central hidroelctrica, donde intervienen las formas mecnica y gravitacional, se transforma por medio de un generador en energa elctrica y sta a su vez puede ser convertida por el usuario en una forma trmica, radiante o mecnica. Esto nos lleva a uno de los conceptos ms importantes sobre energa, que se conoce como la Primera Ley de la Termodinmica o Ley de Conservacin de Energa: La energa no se pierde ni se destruye, solo se transforma. El balance energtico de un proceso debe ser cero: la energa que ingresa es igual a la energa que se produce. La electricidad empleada por un motor elctrico se transforma en energa mecnica ms prdidas de calor. Un proceso energtico es reversible cuando se puede ir de uno a otro lado del mismo sin modificar el total de energa involucrada en ese proceso. Es decir que, en este caso, la eficiencia es del 100%. Si al motor elctrico le conectamos un generador obtenemos electricidad y podramos volver al inicio del proceso. Sin embargo, sabemos que en la vida real esto no es factible pues existen prdidas por rozamiento y calor en el motor, por la resistencia de los conductores, por la friccin de los engranajes y por el campo magntico del generador. La eficiencia del proceso entonces nunca llega al 100%. En la realidad energtica, todo proceso de transformacin es irreversible y el grado de aprovechamiento de la energa introducida en el mismo viene determinado por su eficiencia:

=Donde:

W E

(1.5)

= eficiencia (adimensional) W = Trabajo resultante del proceso, y se mide en Joules [J] E = Energa introducida en el proceso, y se mide en Joules [J]

Potencia y EnergaEn muchos casos decimos que un automvil es muy potente cuando puede subir una cuesta a una buena velocidad, o cuando un tractor o un camin pueden llevar un gran peso sin dificultad. La potencia se asocia entonces al tamao del motor o a la fuerza que puede dar, y as, mientras ms grande es un motor, ms potente es. La unidad de la potencia en el sistema internacional de unidades es el vatio [W]. Se utiliza tambin la unidad caballo de fuerza [hp], 1 hp = 746 W. Es muy comn utilizar el kilovatio [kW] o sea 1.000 vatios para dimensionar los sistemas energticos. La energa potencial del embalse de agua depende de la altura a la que est ubicado: mientras ms alto, ms potencia. Si tenemos dos embalses a la misma altura, uno con ms agua que el otro, los dos tienen la misma potencia. Sin embargo, la energa que podemos aprovechar (o extraer) es mayor en el embalse ms grande, pues podemos mantener un generador funcionando durante ms tiempo. Es similar al caso del motor de gran potencia que consume ms combustible que uno pequeo. El tiempo es muy importante en sistemas de energa. Podemos entonces decir que: 6


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P=Donde:

E t

(1.6)

P = Potencia y se mide en vatios [W] E = Energa y se mide en Joules [J] t = Tiempo y se mide en segundos [s] La potencia es la energa en una unidad de tiempo. La planilla de consumo elctrico viene dada en kilovatios-hora [kWh], es decir que pagamos por el tiempo que nuestros focos y electrodomsticos estn conectados. Generalmente, en los sistemas energticos se toma el tiempo como de una hora y as, energa y potencia tienen las mismas magnitudes. Voltaje Otra definicin dice que la potencia es igual al voltaje por la corriente:

P = V .IDonde: P = Potencia y se mide en vatios [W] V = Voltaje y se mide en Voltios [V] I = Corriente y se mide en Amperios [A]

(1.7)

El voltaje es una diferencia de potencial o carga elctrica. Se lo conoce tambin como fuerza electromotriz. Para comprender el concepto podemos suponer que tomamos un electrn y lo subimos a una parte ms alta, cuando lo soltamos puede llegar a una distancia mayor pues tiene mayor fuerza que otro electrn a menor altura. Esta diferencia de altura es el voltaje.V e

V e-

0Mayor voltaje

0Menor voltajeFig. 1.1 Fuerza electromotriz o voltaje

Hay voltajes en corriente continua y corriente alterna, como veremos ms adelante. Una pila tiene 1,5 voltios de corriente continua; y, una batera 12 V de corriente continua. Los niveles de voltaje normalizados para electrodomsticos en el Ecuador son de 121 V y 210 V corriente alterna o CA o AC2, esto es el nivel de bajo voltaje bajo. Las lneas elctricas2

Para un servicio elctrico trifsico, es decir tres fases con neutro, el voltaje entre fases VFF es de 210V y el voltaje entre una fase y el neutro VFN es de 121 V (VFN = 3 VFF). Cuando el servicio en monofsico a dos hilos, es decir una sola fase, el VFF = 220V y el VFN = 110V. Comnmente esta conexin se conoce como bifsica pero el trmino est mal utilizado pues se trata de una sola fase, ya que no hay generacin bifsica.

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de las ciudades tienen voltajes medios de 6.300V, 13.800V y 35.400 V. Los altos voltajes son de 69.000, 138.000 y 230.000 voltios. Vemos que si tenemos un alto voltaje la corriente puede llegar ms lejos a las ciudades. Corriente La corriente elctrica es un flujo de electrones en un circuito elctrico y se mide en Amperios que se representa por la letra [A]. El nmero de electrones que circulan determina la cantidad de corriente. Un amperio es un culombio durante un segundo, y un culombio es 6,24 x 1018 electrones. Hay dos tipos de corriente: corriente continua y corriente alterna. Una pila tiene corriente continua es decir que se mantiene en el mismo sentido durante todo el tiempo. La corriente alterna cambia de sentido en el tiempo, es decir que es positiva y luego negativa. Los motores, transformadores y generadores funcionan con corriente alterna y es la que usamos en nuestras casas. La ventaja de la corriente alterna es que permite elevar los niveles de voltaje en un transformador elctrico para llevar la corriente a mayores distancias. La cantidad de veces que la corriente cambia de sentido en un segundo se conoce como frecuencia y se mide en Hertz o [Hz]. En Ecuador y en la mayora de pases del continente americano la frecuencia estandarizada es de 60 Hz, mientras que en Europa y Japn es de 50 Hz. I + I +

tiempo

tiempo

-

-

Corriente Continua No cambia de sentido en el tiempo

Corriente Alterna Cambia de positivo a negativo en el tiempo

Fig. 1.2 Corriente continua y corriente alterna

Resistencia Otro parmetro muy importante en los sistemas elctricos es la resistencia. La resistencia es la dificultad que presenta un material al paso de la corriente elctrica. Se representa por la letra R y su unidad es el ohmio []. Los conductores son materiales de baja resistencia, en tanto que los aisladores tienen una alta resistencia. La resistencia es directamente proporcional a la resistividad (caracterstica de cada material) y a la longitud e inversamente proporcional al rea. La resistencia se incrementa con la temperatura.

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Ley de Ohm Podemos expresar la relacin entre voltaje, corriente y resistencia por la llamada Ley de Ohm, que dice:

V = I .R

(1.8)

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CAPTULO 2:Historia

FUENTES DE ENERGA

Los primeros seres humanos utilizaron la energa de las plantas para producir fuego y calentar sus sitios de vivienda, cocinar y forjar sus herramientas y armas. La fuerza de los animales fue aprovechada como medio de transporte, para las tareas de carga o fuerza motriz, y para los grandes ejrcitos. Las primeras civilizaciones utilizaron la energa del viento y la fuerza del agua. La energa del Sol se utilizaba para secar los granos e indirectamente calentar los hogares. El carbn fue ya empleado por los chinos miles de aos antes de Cristo. Los griegos conocan sobre las fuerzas del magnetismo y la electricidad. El requerimiento energtico durante la revolucin industrial fue satisfecho inicialmente mediante la quema de la madera y posteriormente con el carbn. El gas sirvi como combustible para iluminacin y calefaccin desde fines del siglo XVIII, mientras que el uso del petrleo se inici efectivamente tras la invencin del motor de combustin interna. El siglo XX trajo consigo una revolucin energtica y la aplicacin de todo tipo de fuentes de energa para los ms distintos usos. La invencin del generador elctrico para la produccin de electricidad y su aplicacin en los motores elctricos y en las redes elctricas de distribucin marc el inicio de la era moderna.

La Energa en el MundoEn el ao 2001, el consumo mundial de energa segn OLADE3 fue de 69.271 millones de barriles equivalentes de petrleo (MBEP). Un barril de petrleo equivale a 0,00581 TJ. Comparando la produccin y el consumo de energa por regiones geogrficas se obtiene los porcentajes de la Tabla 2.1.Tabla 2.1 Produccin y Consumo Mundial de Petrleo 2001 REGIN TOTAL (Millones de barriles equivalente de petrleo MBEP) Latinoamrica y Caribe frica Asia y Australasia Medio Oriente Norteamrica Ex Unin Sovitica Europa Produccin 70101,1 9,0% 7,5% 23,3% 12,2% 21,3% 16,2% 10,6% Consumo 69271,7 6,7% 4,0% 29,2% 4,0% 25,7% 12,6% 17,8%

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OLADE, Organizacin Latinoamericana de Energa,

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TEP per capita 0-l l-2 2-3 3-4 >4

Fig. 2.1 Consumo de energa mundial en toneladas equivalentes de petrleo, ao

El mapa del mundo de la Fig. 2.1 muestra el consumo por habitante en TEP (toneladas equivalentes de petrleo) del ao 2001 para las diferentes regiones4. Como se puede apreciar, el hemisferio norte tiene el mayor consumo, mientras que Ecuador tiene menos de 1 TEP por habitante por ao. La produccin mundial de energa de 70101 MBEP por fuente para el ao 2001 fue de:Petrleo 34,6% Tabla 2.2 Produccin Mundial de Energa 2001 Gas Carbn M. Electricidad Biomasa 21,5% 33,0% 4,9% 6,0%

La potencia instalada mundial de energa elctrica al ao 2001 fue de 3343,5 GW (Gigavatios, 1 GW = 1x109 W = 1x106 kW), mientras que la energa generada fue de 14.671 TWh (Teravatios hora, 1 TW = 1x1012 W). La distribucin de la potencia, se presenta en la Tabla 2.3:Tabla 2.3 Capacidad Elctrica Instalada Mundial 2001 Solar, Unidad Trmica Hidrulica Nuclear Elica, Geotrmica MW 2.243.489 705.479 364.442 33.435 % 67,1 21,1 10,9 1,0

La Energa en el EcuadorEn el ao 2001, segn datos de OLADE para Ecuador, el consumo final de energa en todas sus formas fue de 47,4 MBEP y solo para electricidad, de 8.104 GWh. Esto representa un consumo de 667 kWh/habitante por ao. Este ndice se ha utilizado tradicionalmente para determinar el nivel de desarrollo de los pases, pues se supone que un mayor consumo por habitante implica un mayor grado de desarrollo industrial. Sin embargo, en la regin latinoamericana los pases de El Caribe sin ser los de mayor desarrollo tienen un alto ndice de consumo, seguidos por los del cono sur, los andinos y los de Amrica central, a excepcin de Mxico y Costa Rica que tienen valores altos. Un4

BP Statistical Review of World Energy 2002

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hogar en los Estados Unidos consume en promedio 12.000 kWh/ao, mientras que uno europeo, 5.000 a 7.000 kWh/ao. La potencia elctrica efectiva instalada en Ecuador al ao 2001 fue de 3.350 MW. El 51% corresponde a centrales de generacin hidrulica y el resto a centrales trmicas que queman combustibles fsiles. En el ao 2001 las reservas probadas de petrleo en el Ecuador fueron de 4.630 MBEP, y la produccin de 407.500 barriles por da, con lo cual se estimara que, de mantenerse la tendencia pasada, el Ecuador dispondra de 31 aos ms de este recurso. El potencial energtico del Ecuador proveniente de fuentes de energas renovables convencionales (hidroelectricidad) y no convencionales, se muestra en la Tabla 2.4 a continuacin. Parte de estos datos han sido tomados de varias fuentes5 y otros han sido estimados6:Tabla 2.4 Potencial Energtico de las Energas Renovables en el Ecuador - Ao 2001 PORCENTAJE ENERGA CONSUMO FUENTE ELCTRICO GWh/ao AO 2000 HIDROELECTRICIDAD 103.000 12 aos SOLAR 1.100 13% ELICA 545 7% GEOTERMIA 4.700 60% BIOMASA Plantaciones forestales 820.000 35 aos Residuos vegetales con combustin directa 4.300 50% 2.155 25% con biogs Desechos municipales 3.966 50% con combustin directa 1.249 16% con biogs 3.300 42% Residuos animales 938.156 TOTAL

De la Tabla 2.4 se puede observar la relevancia que las energas renovables tienen para solventar el suministro de generacin en todo el pas, en especial las fuentes hidroelctricas y la biomasa que pueden cubrir con facilidad varias veces la totalidad del consumo elctrico nacional. Como se ver ms adelante, en el caso de la biomasa se puede producir energa por quema directa o por transformacin a biogs que tiene la ventaja de obtener fertilizante como residuo.5 6

Fuentes: CONELEC, Plan Nacional de Electrificacin 2002-2011.

El potencial de energa solar asume la instalacin de 5 m2 por cada hectrea (10.000 m2) en el territorio del pas (276.840 km2) y un nivel de radiacin solar de 4 kWh/m2/da durante 2000 horas al ao. Para el clculo del potencial proveniente del viento, se ha considerado un total de 12 proyectos de 20 MW (6 en la Sierra, 5 en la Costa y 1 en Galpagos) a una velocidad promedio del viento de 5 m/s, con una relacin de 2,27 MWh/MW instalado. Este dato fue tomado de un estudio realizado en la zona de Salinas, Provincia de Imbabura. El potencial hidroelctrico fue estimado en base a una relacin de 4.357 MWh/MW obtenido de la energa producida actualmente por las centrales hidroelctricas (ao 2001) y la potencia instalada.

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Clasificacin de las Fuentes de EnergaLas fuentes de energa se clasifican en renovables y no renovables. Las energas no renovables son el petrleo, el gas natural y el carbn. Se las llama no renovables porque cuando se extrae estos combustibles de la tierra, no se los vuelve a reponer y su disponibilidad es cada vez menor. Se forman por la descomposicin producida durante millones de aos de material orgnico en el interior de la tierra. La energa nuclear es tambin una fuente no renovable de energa. Las fuentes de energa renovables, en cambio, provienen de fuentes inagotables, principalmente el Sol y la Tierra y su disponibilidad no disminuye con el tiempo. El Sol y la Tierra seguirn proveyndonos de energa durante algunos millones de aos ms, y con l los vientos, la fotosntesis de las plantas, el ciclo de agua, las fuerzas del mar y el calor al interior de la Tierra. El cuadro siguiente resume las diversas fuentes de energa:

A las fuentes de energa renovable se las conoce tambin como alternativas, pues ofrecen una solucin diferente o alternativa a las tecnologas tradicionales.

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CAPTULO 3:

ENERGAS NO RENOVABLES

Los combustibles fsiles se formaron hace ms de trescientos millones de aos, mucho antes de la era de los dinosaurios, por la descomposicin de microorganismos que ocupaban los pantanos y el mar y fueron sepultados bajo capas de lodo, roca y arena de cientos de metros en los sedimentos del mar y los ros. Por efecto del tiempo, del calor de la tierra, de la presin y de la accin de las bacterias, bajo cientos de metros se formaron primero zonas con un lquido espeso que luego se transform en petrleo. El gas natural se form en zonas ms profundas y a mayores temperaturas. Con el paso del tiempo el petrleo y el gas natural fueron subiendo en la capa de la tierra y ubicndose en formaciones rocosas cerradas. Acciones y fuerzas similares actuaron para formar el carbn con la transformacin de residuos muertos de rboles y plantas que se combinaron con agua de ros y mares. Debido al contenido de azufre del agua de mar, el carbn formado con agua de mar tiene un mayor efecto contaminante comparado con el petrleo y el gas. En los ltimos 50 aos el consumo de combustibles fsiles ha crecido en forma significativa utilizndose primero el carbn, luego el petrleo y ahora el gas. Mientras en el ao 1950 el carbn representaba el 62% del consumo total de combustibles fsiles, este se redujo al 28% en 1998. El petrleo tuvo su pico de consumo en 1980 con el 45% del total, mientras que el uso del gas natural ha venido incrementndose en los ltimos aos.8000 Millones de toneladas equivalentes de petrleo [MTEP] 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 1998

Gas Natural Petrleo Carbn

Figura 3.1: Consumo Mundial de Combustibles Fsiles por Fuente 1950 1998 (en millones de toneladas equivalente de petrleo MTEP, 1 TEP = 42 GJ)Fuente: Worldwatch Institute

Gas NaturalEl gas natural est constituido principalmente por metano. La molcula de metano es el ms simple compuesto de hidrocarburo con cuatro tomos de hidrgeno unidos a uno de carbono. Cuando se quema metano se produce la siguiente reaccin qumica: 14


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CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + ENERGA Cuando se calienta el gas metano, cada molcula de metano se combina con dos molculas de oxgeno para producir dixido de carbono y agua, y se libera una gran cantidad de energa. El oxgeno es vital en la produccin de energa con combustibles fsiles. Como veremos ms adelante el dixido de carbono en la atmsfera es el mayor causante del calentamiento del planeta. Conviene aprovechar de este compuesto simple para dar una idea sobre la cantidad de dixido de carbono que se emite cuando quemamos combustibles fsiles. La masa de un tomo de carbn es 12 veces la de un tomo de hidrgeno. La masa de oxgeno es 16 veces la masa de un tomo de hidrgeno. Usando estos valores podemos reemplazar en la reaccin qumica del metano las masas atmicas para obtener: C H4 + 2 O2 C O2 + 2 H2 O + ENERGA 12 + (4 x 1) + 2 x (2 x 16) 12 + (2 x 16) + 2 x ((2 x 1) + 16) 16 + 64 44 + 36 Es decir que por cada 16 kg de gas metano necesitamos 64 kg de oxgeno y se liberan 44 kg de CO2 y 36 kg de agua. El calor producido por 1 kg de metano es de 55 mega joules (MJ) de modo que 16 kg producen 880 MJ. Entonces, por cada kilogramo de dixido de carbono que se emite a la atmsfera en la quema de gas metano se liberan 22 MJ de calor. Las reservas potenciales de gas natural en el Ecuador se estiman en 105.000 millones de m3 (105 x 109 m3; 1 m3 = 1000 lt = 1 ton), pero el pas no dispone de la infraestructura para utilizar este recurso. En Septiembre del 2002 se puso en funcionamiento una central termoelctrica de con una capacidad de 130 MW (20 unidades de 61 MW cada una), y con una capacidad futura de 312 MW que aprovecha el gas natural del campo Amistad en el Golfo de Guayaquil, cuya capacidad est estimada en 8,78 x 109 m3. Esta planta a plena capacidad generara 789 GWh por ao de energa elctrica.

PetrleoPara usar la energa del petrleo crudo, se lo debe procesar en una refinera y obtener as los diferentes subproductos o combustibles. Dependiendo de la temperatura a la que se calienta podemos ir rompiendo la unin entre el carbono y el hidrgeno desde los compuestos ms livianos con menor nmero de tomos de carbono hasta los ms pesados: gas (metano, etano, propano o butano, que bajo presin se convierte en gas licuado de petrleo (GLP) usado en cocinas y para calentamiento de agua), nafta, gasolina, kerosene, diesel, fuel oil, gas pesado o aceite combustible (bunker), asfaltos, azufre peletizado y otros residuos pesados. A partir de estos materiales ms pesados se producen otros compuestos de importancia como parafinas, plsticos y fertilizantes. En Ecuador, las mayores refineras son: Esmeraldas con 110.000 BPD (barriles por da), La Libertad con 45.000 BPD y Amazonas con 20.000 BPD. El consumo de combustibles en el Ecuador durante el ao 2001 se muestra en la Tabla 3.1.

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Tabla 3.1 Consumo de Derivados de Petrleo en el Ecuador Ao 2001 Producto Barriles Galones Litros Gasolinas 12.107.111 508.498.662 1.924.667.436 Diesel 2 16.961.718 712.392.156 2.696.404.310 Fuel Oil 10.032.018 421.344.756 1.594.789.901 GLP 7.956.411 334.169.262 1.264.830.657 Jet Fuel 1.597.268 67.085.256 253.917.694 Otros 2.040.073 85.683.066 324.310.405 TOTAL 50.694.599 2.129.173.158 8.058.920.403Fuente: Petrocomercial, cifras mes de Diciembre 2001

CarbnEl carbn es el combustible que ms se utiliza en el mundo para la produccin de vapor en las plantas de generacin de energa elctrica. Las reservas de este material en los Estados Unidos, Asia, Ex Unin Sovitica, Sudfrica, Australia y la parte norte de Sudamrica, aseguran una provisin superior a los 250 aos al ritmo de consumo actual. Siendo un material cuya explotacin ha llegado a altos niveles de tecnificacin, tiene un precio menor que el gas y el petrleo. El principal inconveniente que tiene el carbn es el grado de emisin de gases contaminantes, principalmente CO2, monxido de carbono y azufre, que influyen en el calentamiento del planeta. Para reducir este problema de contaminacin, se han desarrollado varias tecnologas de calderos que optimizan la combustin del carbn a una menor temperatura. Plantas generadoras de energa en pases desarrollados, han tomado conciencia del tema ambiental y generan con un mnimo de contaminacin. Los tipos de carbn son:Tipo Antracita Bituminoso Subbituminoso Lignito Tabla 3.2 Tipos de Carbn Calor Contenido Especfico Carbn % MJ / kg 86 89 34,8 45 86 24,4 34,8 35 45 25 35 19,3 30,2 9,3 19,3 Aplicaciones Calefaccin Electricidad, acero Bajo contenido azufre, varias aplic. Electricidad

En el ao 2000 se consumieron en todo el mundo aproximadamente 4700 millones de toneladas de carbn. En el Ecuador no se utiliza carbn mineral. El carbn que usamos para cocinar proviene de la madera quemada. Las reservas de carbn, mayormente lignito y subbituminoso se estiman en 24 millones de toneladas. En el futuro este tipo de energa no ser parte del recurso energtico del pas.

Energa NuclearLa energa del tomo se ha aprovechado desde inicios de los aos 1960 en la generacin de vapor para la produccin de energa elctrica. Cuando un tomo de uranio 235 (U-235) se divide, libera dos o tres neutrones que impactan con otros tomos similares produciendo una reaccin en cadena que genera una gran cantidad de calor. Esta reaccin nuclear de 16


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material radiactivo, llamada masa supercrtica, y el calor generado se pueden controlar en una planta de generacin nuclear por medio de cilindros de un material especial que al subir o bajar absorbe los neutrones liberados por las barras de combustible nuclear que se encuentran en su interior. Una libra de U-235, de tamao no mayor a una pelota de tenis, tiene una cantidad de energa equivalente a 1 milln de galones de gasolina. De ah la razn por la que la energa nuclear haya tenido tanto desarrollo. A fines del ao 2001 las 438 plantas de generacin nuclear en todo el mundo proveyeron aproximadamente el 16% de la electricidad consumida, y hay 32 ms en construccin. En pases como Francia, el 77% de la generacin elctrica proviene de la energa nuclear; en Blgica, el 58%; en Japn, el 37%; y, en los Estados Unidos, el 20%. La capacidad instalada de las plantas nucleares es de 351.327 MW. La energa nuclear ha sido restringida en algunos pases, principalmente en Europa y los Estados Unidos, por los problemas asociados a la seguridad. Sin embargo las plantas nucleares seguirn suministrando energa por algunas dcadas ms. Se ha estimado que la operacin de las centrales nucleares reduce las emisiones globales de CO2 de cerca de 500 millones de toneladas de carbn. El principal inconveniente es la disposicin del residuo radiactivo que mantiene su toxicidad durante siglos. En el Ecuador no hay plantas nucleares de generacin ni las habr en el futuro.

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CAPTULO 4:

CONTAMINACIN AMBIENTAL

Los mayores cuestionamientos que han recibido los combustibles fsiles se deben a las emisiones que producen al quemarse y al descuido en su manipulacin. Las emisiones ocasionan un grave impacto en el ambiente. Recordemos solamente el dao que ocasion en las islas Galpagos el derrame de 150.000 galones de combustible del buque tanque Jessica en enero del 2001, o el famoso derrame del buque Exxon Valdez en Alaska en 1989 donde el derrame de 11 millones de galones implic un gasto de 2.100 millones de dlares para limpiar los daos ocasionados. Esto advirti sobre la falta de previsin y el desconocimiento sobre las acciones a tomar para reducir al mnimo los impactos ocasionados por derrames de combustible en el mar. Igual caso se da en la tierra en las reas de explotacin petrolera y minera donde los residuos y el material explotado en algunos casos no es dispuesto en forma adecuada. Tambin la contaminacin se origina en la quema sin control de residuos orgnicos y basura.

Calentamiento GlobalEl principal efecto de la contaminacin que producen los combustibles es el de los gases emanados en el denominado calentamiento global. La temperatura en la superficie de la Tierra viene dada por un equilibrio entre la energa radiante del Sol y el calor reflejado por la Tierra al espacio. Los gases invernadero de la atmsfera absorben el calor en forma de radiacin infrarroja y ejercen un efecto invernadero, lo cual permite mantener la temperatura de la superficie en un promedio de 15 grados centgrados y crear el ambiente propicio para la existencia de seres humanos, animales, plantas y otras formas de vida. As ha sido desde el inicio de la vida en el planeta, pero la accin del hombre y su desmedido afn de energa estn ocasionando un desequilibrio en la naturaleza con impactos que ya se estn sintiendo. La concentracin de CO2 en la atmsfera ha crecido desde 280 ppm (partes por milln) antes de la Revolucin Industrial hasta 358 ppm en 1994. De mantenerse esa tendencia, llegara a 500 ppm en el ao 20507. El impacto de las actividades humanas en el calentamiento global debido a los gases invernadero se da en las siguientes proporciones: dixido de carbono, 63,7%; metano, 19,2%; fluorocarbonos, 10,2%; subxido de nitrgeno, 5,7%; y otros, el 1,2% restante. Debido a la mayor concentracin de gases invernadero, principalmente CO2, la energa en forma de calor que se refleja al espacio, se mantiene durante ms tiempo junto a la superficie de la Tierra, producindose un aumento de la temperatura. Como podemos observar, el mayor causante del calentamiento global es el dixido de carbono y el origen de estas emisiones se debe al uso de combustibles fsiles. Las emisiones de un motor de combustin interna como el usado en los automviles, incluye, adems de CO2 y vapor de agua, hidrocarburos, xidos de nitrgeno y monxido de carbono (CO). Estos dos ltimos gases son los que causan daos en la salud y envenenamiento de las personas. El uso de convertidores catalticos reduce significativamente el nivel de estos contaminantes. El convertidor cataltico es un tipo de7

What Will Happen to the Earth? What Do We Do for the 21st Century? (Japan Environment Agency)

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filtro que se coloca en el sistema de escape de los automviles y reduce significativamente los gases venenosos como monxido de carbono y xido nitroso. En las plantas trmicas de generacin elctrica, que queman combustibles fsiles, tambin se producen estos gases, as como compuestos de azufre, causantes de la denominada lluvia cida. Es por ello que estas plantas deben contar con equipos y filtros para reducir al mnimo las emisiones.

Efectos de las EmisionesDurante los ltimos cien aos, la temperatura de la Tierra se ha incrementado entre 0,3oC a 0,6oC. De continuar la tendencia de consumo energtico actual, sin tomar medidas que lo impidan, a fines del Siglo XXI la temperatura aumentara entre 1oC y 3,5oC. En la Edad del Hielo, la temperatura promedio fue solamente entre 3oC y 6oC menor que la actual, lo que nos da una idea de la seriedad que el incremento de temperatura de solo 2oC puede ocasionar en el equilibro natural. Las consecuencias que pueden resultar del calentamiento global son8: Aumento del nivel del mar debido a la expansin del agua por incremento de temperatura. Un aumento de 2oC significara una variacin entre 15 cm y 95 cm del nivel del mar; Impacto en el recurso agua y en desastres naturales (inundaciones, sequas); Impacto en la agricultura (variacin de la produccin en sembros); Impacto en la salud humana (olas de calor, enfermedades contagiosas, malaria, clera); Impacto en animales y plantas (relocalizacin de animales hacia zonas del norte, extincin de ciertas especies); Impacto en las ciudades (aumento de energa para aire acondicionado, olas de calor en zonas urbanas).

Tomando los datos de consumo total anual de combustibles en el Ecuador, se ha estimado los niveles de emisin de CO2 que se producen en el ao 2001, lo que se muestra en la Tabla 4.1:Tabla 4.1 Clculo de Emisiones de CO2 en el Ecuador - Ao 2001 Combustible Litro Kg CO2/ litro TOTAL kg CO2 Gasolinas 1.924.667.436 2,310 4.445.981.776 Diesel 2 2.696.404.310 2,680 7.226.363.552 Fuel Oil 1.594.789.901 3,117 4.970.960.123 GLP 1.264.830.657 1,510 1.909.894.292 Jet Fuel 253.917.694 2,520 639.872.589 Otros 324.310.405 2,933 951.202.417 TOTAL 8.058.920.403 kg de CO2 20.144.274.749 millones de toneladas de CO2 20,14

Impact of Global Warming on Japan 1996. (Report by Impact Assessment Working Group, Global Warming Committee, Japan Environment Agency)

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Suponiendo que del total de combustible un 15% no se ha consumido, es decir se mantiene almacenado en los vehculos o en tanques, llegamos a determinar que el Ecuador emiti 17,12 millones de toneladas de CO2 el ao 2001, valor que coincide con resultados obtenidos por OLADE. En el caso especfico de Galpagos, los combustibles son trados desde el continente en buques y el riesgo de derrame est siempre latente, tanto en el mar como en la tierra. De all la importancia de sustituir los combustibles fsiles en la generacin de electricidad, en una primera instancia y, posteriormente, en los vehculos. En el ao 2001 el consumo de diesel para la generacin elctrica en Galpagos fue de 1,4 millones de galones, que corresponde al 26% del total consumido de diesel. El subsidio por galn de diesel o gasolina en el ao 2001 fue de 0,14 centavos de US dlar, mientras que el subsidio por cilindro de 15 kg de gas licuado de petrleo (GLP) lleg a 1,61 US dlares9. El uso de energas renovables permite reducir significativamente el impacto de las emisiones y los costos asociados al subsidio de combustibles, con un beneficio directo al Estado y a la poblacin en general. Las energas renovables sern tratadas en detalle en los siguientes captulos.

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Informe Galpagos 2001-2002, Fundacin Natura - WWF, pg. 36.

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CAPTULO 5:

EL SOL

El Sol siempre ha cautivado el inters de las civilizaciones. Los primeros habitantes de la Tierra atribuan al Sol grandes poderes y lo consideraban la principal fuente de vida. Civilizaciones avanzadas de Amrica describan con gran exactitud los movimientos del Sol y su importancia para los ciclos de siembra y cosecha, y en la fiesta del Inti Raymi, los Incas ofrecan adoracin al dios Sol. El inmenso progreso cientfico de los dos ltimos siglos nos ha llevado a confirmar el criterio de nuestros antepasados sobre la importancia del Sol y sus fenmenos asociados que son: la radiacin electromagntica y, como parte de ella, la luz, el magnetismo, y la atraccin de la gravedad. Estos aspectos fsicos del Sol se complementan con los fenmenos sociales y squicos y su efecto en la salud, el crecimiento y en el estado de nimo de los seres vivos. Para ilustrar lo anteriormente mencionado, citemos algunos ejemplos: Si nos encontramos dentro de un vehculo en un da soleado, y ms an en el Ecuador donde los rayos del Sol caen perpendicularmente, apreciamos en poco tiempo el incremento de la temperatura y podemos de alguna forma medir la energa recibida. Caso similar ocurre en un invernadero. Los vientos se originan por la diferencia de presin debido al calentamiento solar de las masas de aire en las zonas clidas que ascienden y chocan con el aire fro de las zonas ms altas. Las plantas reciben la radiacin solar y en la fotosntesis producen los azcares para su subsistencia; la energa de los fotones es parte vital de esta transformacin qumica que se revierte al alimentarnos, devolvindonos esa energa. El descubrimiento del efecto fotovoltaico, que veremos ms adelante, transforma la energa del fotn al impactar en un material semiconductor en una corriente elctrica. Los combustibles fsiles deben su energa a la que recibieron del Sol en sus aos de vida como plantas y animales. Concluimos, entonces, que el Sol es la fuente de energa primaria de nuestro planeta, y lo seguir siendo por millones de aos ms. Conviene, por tanto, darle al Sol la importancia que se merece.

Energa SolarPara comprender de dnde procede la energa del Sol debemos transportarnos al interior de esta estrella gaseosa de casi 700 mil km de radio. Debido a la inmensa fuerza de gravedad y a temperaturas de 16 millones de grados en el interior del Sol, dos tomos de hidrgeno se fusionan en uno de helio y la diferencia de masa se convierte en energa (recordemos que E = m c2). La temperatura exterior del Sol, que en realidad es la de la fotosfera que es la parte del Sol que vemos desde la Tierra, es de 5.780 grados Kelvin. Cero grados Kelvin (0 K) es la temperatura del cero absoluto, es decir ningn elemento puede ser ms fro que ese lmite, y equivale a -273 oC. La rbita que describe la Tierra alrededor del Sol es una elipse, con el Sol en uno de sus vrtices. El 21 de diciembre la Tierra est ms alejada del Sol, mientras el 21 de junio est 21


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ms cerca. La distancia media entre el Sol y la Tierra es de aproximadamente 150x 106 km, y se llama una unidad astronmica10.

Radiacin SolarLa radiacin que emite un cuerpo en funcin de la temperatura viene dada por la ley de Stefan-Boltzman:

M = T 4Donde: M = Densidad total de flujo radiante emitida por cuerpo en W/m2 = Constante de Stefan-Boltzman = 5,67 x 10-8 [W m-2 K-4] T = Temperatura del cuerpo en K

(5.1)

El Sol irradia energa en todas las direcciones y parte de este flujo llega a la Tierra a travs del espacio vaco. Esta energa se emite en dos formas, como: 1. Radiacin electromagntica, que incluye: los rayos ultravioletas, los rayos X, la luz visible, las radiaciones infrarrojas, las microondas y las ondas de radio; y, 2. Viento solar, compuesto de partculas atmicas energizadas: neutrinos y protones. La atmsfera de la Tierra es una capa protectora de esta radiacin y del viento solar. La disminucin en la capa de ozono de la Tierra reduce el grado de proteccin contra la radiacin, especialmente de los rayos ultravioleta. Ejercicio 5.1: Calcular la radiacin del Sol que llega a 1 m2 de la Tierra. Datos: Radio del Sol= rs= 695.500 km Distancia media Sol-Tierra = rst = 149,6 x 106 km Temperatura en la superficie del Sol = 5780 K Solucin: Calculemos la radiacin emitida por el Sol usando la ley de Stefan-Boltzman Msol = 5,67x10-8 [W m-2 oK-4] x (5.780)4 [K4] = 63 284 071 [W m-2] = 63,28 [MW m-2] Como la cantidad total de radiacin en la superficie del Sol debe ser igual a la radiacin en la rbita de la Tierra (la energa no se destruye), entonces Msol x Asol =Mtierra x Asol-tierra (1) Como Asol = rs2 y Asol-tierra = rst2 podemos reemplazar en (1) y tenemos:10

Sol rs

rst

Tierra

Exactamente, la distancia media entre el Sol y la Tierra es de 149 597 870 km

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Msol x rs2 = Mtierra x rst2, suprimiendo en ambos lados de la ecuacin y despejando para Mtierra tenemos: Mtierra = Msol x (rs2 / rst2) Reemplazando valores: Mtierra = 63,28 [MW m-2] x ((695,5 x 106)2 [m2] / (149,6 x 109)2 [m2]))= Mtierra = 63,28 [MW m-2] x (1 / 46266) = 1,367x10-3 [MW m-2] = 1367 [W m-2] Este valor se conoce como la constante solar y se usa en clculos de radiacin solar para sistemas fotovoltaicos y termo solares. Para medir la radiacin solar se dispone principalmente de dos tipos de medidores: 1. El piranmetro, que mide la radiacin hemisfrica en un plano y consiste de una serie de termocuplas que es una unin de dos placas metlicas de diferente material y conductividad trmica. El cambio en temperatura en estas placas metlicas produce un cambio de voltaje que es proporcional a la radiacin. Para su lectura, debe conectarse una resistencia en paralelo (shunt) y hay que tomar en cuenta el valor de ajuste por voltaje, propio de cada piranmetro. La ventaja del piranmetro es que permite medir tanto la radiacin directa como la reflejada. 2. La celda fotoelctrica con compensacin por temperatura, la cual genera una corriente elctrica. La precisin de este medidor es mucho menor que la del piranmetro y solo mide la radiacin global.

El Espectro ElectromagnticoEn el caso de las energas renovables, nuestro inters se centra en aprovechar la energa que nos llega del Sol en forma de radiacin electromagntica. La radiacin electromagntica puede ser descrita como un flujo de fotones, que son partculas sin masa, que se desplazan en forma de ondas a la velocidad de la luz y transportan la energa de un punto a otro. Cada fotn contiene una cantidad fija de energa (o paquete de energa); dependiendo de la energa de un fotn podemos ir desde las ondas de radio, que son las de menor energa hasta los rayos gamma. Los fotones con mayor energa tienen una menor longitud de onda, que es igual a decir que tienen una mayor frecuencia. Veamos algunos de estos conceptos: La Fig. 5.1 muestra dos ondas, que son como las olas que se forman en un estanque al lanzar una piedra, o como las olas del mar. El agua es ms alta en unos sitios que en otros. Mientras en la onda (a) tenemos dos picos, en la onda (b) hay cuatro a igual distancia. El ciclo de la onda es el recorrido de un pico (o valle) al siguiente. La onda (b) recorre cuatro ciclos mientras que la (a) recorre dos. Decimos que la 23

Fig. 5.1 Longitud de onda


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longitud de la onda (a) es ms larga que la (b). Entonces, la longitud de onda es la distancia que recorre la onda en un ciclo y se representa por la letra griega lambda . Si medimos el tiempo que toma una onda en un ciclo hablamos de la frecuencia de la onda, y se representa por la letra griega NU . La frecuencia de la onda nos permite conocer el nmero de ciclos por segundo y se mide en Hertz [Hz] (1 Hertz = 1 ciclo por segundo). La onda (b) tiene una mayor frecuencia que la onda (a). La unidad de medida de la longitud de onda para las ondas electromagnticas es el nanometro, es decir 0,000000001 m (1x10-9 m) y se representa como [nm]. Es comn utilizar tambin las unidades micrometro o micras [m] (1 x 10-6m) o el ngstrom [] (1x10-8m). Recordemos que las ondas son fotones que se mueven a la velocidad de la luz c, por lo que la frecuencia de la onda puede obtenerse como = c/. La altura de la onda desde la lnea media entre un pico y un valle, se denomina amplitud de la onda, y determina la intensidad de la onda. De all que cuando aumentamos el volumen de una radio estamos aumentando la intensidad de la onda; mientras que, cuando cambiamos de emisora estamos variando la frecuencia. La intensidad de la onda es proporcional al cuadrado de la amplitud de onda y es lo que conocemos normalmente como brillo. La cantidad de energa que transporta un fotn viene dada por la ecuacin:

E = hDonde: E = energa de un fotn en J h = Constante de Planck = 6.624 10-34 J/s = frecuencia en Hz

(5.2)

Como veremos ms adelante, esta ecuacin, que es la base de la teora cuntica, nos ayudar a comprender la forma en que se liberan los electrones en un panel fotovoltaico. La energa de un fotn se mide en electrn voltios [eV], 1 eV = 1,602 x 10-19 J. Mientras ms energa tiene una onda, mayor es su frecuencia y menor su longitud de onda. Se puede determinar las siguientes regiones del espectro electromagntico ordenadas de menor a mayor energa:Tabla 5.1 Regiones del Espectro Electromagntico

Onda Radio Microondas Infrarroja Luz visible Ultravioleta Rayos X Rayos Gamma

Longitud de onda (m) > 1 x 10-1 1 x 10-3 - 1 x 10-1 7 x 10-7 - 1 x 10-3 4 x 10-7 - 7 x 10-7 1 x 10-8 - 4 x 10-7 1 x 10-11 - 1 x 10-8 < 1 x 10-11

Frecuencia(Hz) < 3 x 109 3 x 109 - 3 x 1011 3 x 1011 - 4 x 1014 4 x 1014 - 7.5 x 1014 7.5 x 1014 - 3 x 1016 3 x 1016 - 3 x 1019 > 3 x 1019

Energa (J) < 2 x 10-24 2 x 10-24- 2 x 10-22 2 x 10-22 - 3 x 10-19 3 x 10-19 - 5 x 10-19 5 x 10-19 - 2 x 10-17 2 x 10-17 - 2 x 10-14 > 2 x 10-14 24


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La luz es solo una pequea parte del espectro electromagntico y va desde los 400 a los 700 nm. El color de la luz depende de su longitud de onda, desde el rojo hasta el violeta. Fue Sir Isaac Newton quien descubri en 1666 que la luz del Sol es una mezcla de diferentes partculas de colores y lo denomin el espectro (del ingls ghost, fantasma). Cada elemento tiene sus propias lneas espectrales y es as como podemos saber solo con la luz de las estrellas o de Fig. 5.2 Espectro de la luz un cuerpo los elementos que las componen. Las radiaciones emitidas por los cuerpos calientes tienen una longitud de onda cercana al color rojo. Los fotones que emiten una radiacin de color azul tienen ms energa que aquellos de color rojo. La luz, tanto la natural que nos viene del Sol, como aquellas artificiales con focos incandescentes, fluorescentes, de descarga, o los ltimos con elementos semiconductores (LEDs) son un flujo de fotones de diversas longitudes de onda que se ubican en el espectro de la luz visible, y por ende sensibles al ojo humano. Habamos visto que la energa radiante de un cuerpo depende de su temperatura T y ahora sabemos que tambin depende de la longitud de onda de los fotones de esa radiacin a lo largo de todo el espectro electromagntico. Estos conceptos se unifican en la denominada Ley de Planck, que determina la energa radiante de un cuerpo en funcin de T y . Cuando un cuerpo emite toda su radiacin y al mismo tiempo absorbe toda la radiacin de los dems cuerpos, decimos que se trata de un cuerpo negro. El Sol puede considerarse como un cuerpo negro. La curva de la Fig. 5.3 muestra la energa radiante del Sol (o su distribucin espectral) en el exterior de la atmsfera de la Tierra y en la superficie de la Tierra en funcin de la longitud de onda. Este grfico corresponde a la temperatura del Sol de 5800 K. Aqu se observa lo siguiente:

Espectro al exterior de la atmsfera Espectro de un cuerpo negro T = 5780 K E Espectro tpico en la superficie al medioda durante un cielo claro

Absorbido y esparcido por la atmsfera

UV

visible

infrarrojo

Fig. 5.3 Espectro solar en el exterior de la atmsfera y en la superficie de la Tierra comparado con la radiacin de un cuerpo negro de T = 5780 K.

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1) La radiacin que llega a la Tierra es menor que la que incide sobre la parte exterior de la atmsfera. Por tanto, hay una prdida de energa. 2) La parte de la luz visible del espectro tiene la mayor energa. 3) Las radiaciones de mayor longitud de onda (menor frecuencia) se ubican en la zona infrarroja y son absorbidas en su mayor parte en la atmsfera. Son estos fotones los que al impactar con el aire de la atmsfera producen el calentamiento de nuestro planeta. 4) Ciertas frecuencias son absorbidas en la atmsfera ms que otras. La radiacin solar, a su paso por la atmsfera, sufre algunos procesos de extincin: se refleja en las nubes y vuelve al espacio; es esparcida y cambia de direccin; se absorbe por el vapor de agua y los aerosoles; llega directamente sin afectarse; se difunde particularmente los fotones de alta energa y por eso el cielo se ve azul; o se refleja en el suelo. Es importante anotar que se conoce como radiacin solar global o total a la suma de los componentes de radiacin directa ms la difusa ms la reflejada en el suelo.

Fig. 5.4 Componentes de la radiacin solar

17H00 Diciembre A

12H00 : Da Abril : Mes B Espacio exterior AM0

AM>1

AM1

Atmsfera

C

tierra

Fig. 5.5 Variacin anual y diaria de la masa de aire

El espesor de la atmsfera determina igualmente cunta energa se pierde hasta llegar a la superficie de la Tierra. La masa de aire (abreviada AM por sus siglas en ingls air mass) es la distancia entre el suelo, usualmente al nivel del mar y la parte exterior de la atmsfera. En el espacio exterior la masa de aire es cero AM0. Un rayo de sol perpendicular al suelo tiene una AM1, es decir una atmsfera de distancia. Esto no es lo comn, pues dependiendo de la posicin del Sol durante el da o el ao, esta masa se incrementa y la radiacin debe 26


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recorrer una mayor distancia hasta el suelo. Mientras el ngulo ACB aumenta, la AM tambin aumenta. Este ngulo de inclinacin vara entre 0 y 90 grados. Cuando el Sol est en el Cenit, es decir perpendicular a la tierra (al medioda), el ngulo es cero y la AM=1; y, cuando el Sol se oculta este ngulo, se acerca a 90o y la AM=36,5. Las condiciones estndar de prueba (STC) para productos y equipos que utilizan la energa del Sol (por ejemplo, paneles fotovoltaicos, colectores termo solares) asumen la AM = 1,5; es decir, el Sol tiene una inclinacin de 28,2 grados respecto de la vertical, una temperatura de 25oC, una radiacin de 1000 W/m2 y una velocidad del viento de 1 m/s. Si bien la radiacin que llega a la tierra es menor que la que llega a la parte extraterrestre de la atmsfera, sta acta como un filtro de los rayos de alta energa (rayos gamma, rayos x, rayos ultravioleta), que destruiran la vida existente. Algunos fabricantes definen las condiciones normales de operacin, ms reales que las STC y son: AM=1,5, radiacin 800 W/m2, temperatura 20C, y velocidad del viento 1 m/s.

Radiacin Solar en el EcuadorLos datos de radiacin solar para algunas ciudades del Ecuador se muestran en las tablas 5.2 y 5.3. Estos han sido tomados de la base de datos de la NASA11. Los datos que presentamos nos dan una indicacin global de la radiacin. Se proporciona tanto los niveles de radiacin diaria promedio para cada mes y el dato de ndice de claridad (clearness index) que es muy til para calcular las componentes directa y difusa de la radiacin. El trmino insolacin empleado aqu es equivalente al de radiacin solar aunque por lo general se trata solamente de radiacin solar directa. Adems de los datos disponibles, en caso de disear sistemas para uso de la energa solar con paneles fotovoltaicos y colectores, se recomienda tomar lecturas del sitio durante al menos un ao y hacer una correlacin con datos histricos a fin de garantizar una localizacin y funcionamiento adecuados.Tabla 5.2 Insolacin Promedio 10 Aos en el Ecuador en [kWh m-2da-1] -2 -1 INSOLACIN PROMEDIO 10 AOS EN kWh m da Sitio: Latitud (Sur) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep /Longitud (Oeste) Cotopaxi:-1/79 3.73 3.98 4.05 3.88 3.74 3.47 3.71 3.97 3.98 Cuenca-Loja:-3/79 3.76 3.99 3.98 3.87 3.84 3.53 3.79 4.17 4.29 Esmeraldas:0/80 4.05 4.42 4.71 4.51 4.17 3.79 3.75 3.90 3.96 Guayaquil: -3/80 4.34 4.58 4.66 4.55 4.37 3.85 3.96 4.30 4.53 Ibarra-Tulcn:0/79 3.73 4.01 4.17 3.95 3.75 3.56 3.85 4.01 3.95 Islas Galpagos:-1/91 6.25 6.56 6.78 6.49 6.03 5.56 4.92 5.19 5.28 Manab:-2/81 5.05 5.22 5.51 5.45 5.00 4.01 3.84 4.15 4.42 Napo: -2/77 4.45 4.36 4.33 4.04 4.11 3.74 4.01 4.55 4.82 Quevedo: -1/80 4.15 4.44 4.63 4.50 4.21 3.68 3.68 3.92 4.0111

Oct 3.77 4.08 3.88 4.37 3.79 5.49 4.26 4.59 3.86

Nov Dic 3.88 4.26 3.93 4.62 3.81 5.46 4.54 4.47 4.01 3.79 4.05 3.97 4.53 3.73 6.01 4.91 4.67 4.09

NASA, http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/ . Otro sitio es el de la Universidad de Massachusetts con informacin ms exacta http://energy.caeds.eng.uml.edu/academic.shtml. La informacin del INAMHI debe ser convertida de brillo solar a radiacin.

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Energas Renovables: Conceptos y Aplicaciones Quito:-1/79 Riobamba: -2/79 Santa Elena: -3/81 3.73 3.98 4.05 3.88 3.74 3.97 3.96 3.83 5.25 5.43 5.62 5.51 3.74 3.76 5.13

Santiago Snchez Mio 3.47 3.71 3.97 3.98 3.77 3.88 3.79 3.43 3.63 3.98 4.05 3.82 3.99 3.87 4.32 4.25 4.59 4.97 4.84 5.13 5.28

Tabla 5.3 ndice de Claridad Promedio 10 Aos en el Ecuador NDICE DE CLARIDAD PROMEDIO 10 AOS (0 A 1.0) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Sitio: Latitud/Longitud Cotopaxi:-1/-79 0.37 0.38 0.39 0.38 0.39 0.38 0.40 0.40 0.39 Cuenca-Loja:-3/-79 0.36 0.38 0.38 0.39 0.41 0.39 0.41 0.43 0.42 Esmeraldas:0/-80 0.40 0.43 0.45 0.44 0.43 0.41 0.40 0.39 0.38 Guayaquil: -3/-80 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.43 0.43 0.44 0.44 Ibarra-Tulcn:0/-79 0.37 0.39 0.40 0.39 0.39 0.38 0.41 0.41 0.38 Islas Galpagos:-1/-91 0.62 0.63 0.65 0.64 0.63 0.60 0.53 0.53 0.51 Manab:-2/-81 0.50 0.50 0.52 0.54 0.53 0.44 0.41 0.42 0.43 Napo: -2/-77 0.44 0.42 0.41 0.40 0.43 0.41 0.43 0.47 0.47 Quevedo: -1/-80 0.41 0.43 0.44 0.44 0.44 0.40 0.39 0.40 0.39 Quito:-1/-79 0.37 0.38 0.39 0.38 0.39 0.38 0.40 0.40 0.39 Riobamba: -2/-79 0.37 0.38 0.38 0.38 0.40 0.38 0.39 0.41 0.39 Santa Elena: -3/-81 0.51 0.51 0.53 0.55 0.55 0.48 0.46 0.47 0.49

Oct 0.36 0.39 0.38 0.42 0.37 0.53 0.41 0.44 0.37 0.36 0.37 0.46

Nov 0.38 0.41 0.39 0.45 0.38 0.54 0.44 0.44 0.40 0.38 0.39 0.50

Dic 0.38 0.40 0.40 0.44 0.38 0.60 0.49 0.46 0.41 0.38 0.38 0.52

Aplicaciones de la Energa SolarEl desarrollo tecnolgico actual permite aprovechar la energa del Sol para los usos ms diversos. Las aplicaciones pueden ser agrupadas en:ELECTRICIDAD Efecto fotovotaico Concentradores solares Colectores termo solares residenciales Secadores solares Construccin solar pasiva Desinfeccin de agua Desalinizacin de agua Fotosntesis Biocombustibles Biogs Compost y fertilizantes

CALOR

BIOMASA

En los captulos siguientes revisaremos las ms importantes aplicaciones de la energa solar en diversas reas.

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CAPTULO 6:Estructura del tomo

ELECTRICIDAD DEL SOL

Recordemos que el tomo est constituido por un ncleo, con protones de carga positiva, neutrones de carga neutra y electrones con carga negativa que giran alrededor del ncleo. Uno de los descubrimientos ms importantes en la fsica atmica fue que el nmero de electrones que ocupan las rbitas de un tomo es fijo y viene determinado por su nmero cuntico, siendo mayor en las rbitas ms exteriores. Una tabla peridica de los elementos nos permite conocer los orbitales (o niveles de energa) de los tomos por su nmero cuntico. La energa del tomo, entonces, no es continua sino discreta, es decir que aumenta a saltos o en paquetes, los denominados cuanta de energa, de donde se origina el estudio de la fsica cuntica. Para que un electrn se mueva de una rbita interna a otra ms externa necesita recibir una cierta cantidad de energa. Si esta es insuficiente, permanece en su orbital; y, si la energa es suficiente puede saltar al orbital siguiente o quedar libre. Si la energa es excesiva puede liberarse ms de un electrn o eliminarse como prdidas en forma de calor. El caso contrario ocurre si un electrn de un orbital exterior salta a uno interior, en este caso libera energa. Por lo general esa energa adicional proviene de los fotones. Cuando la luz impacta sobre un objeto, el efecto que ocurre depende de tres factores: 1. De la cantidad de energa que trae el fotn; 2. De la frecuencia natural en que los electrones vibran en el material; y, 3. De la fuerza con que el ncleo (los protones) atrae a los electrones. Los procesos que se producen al impactar la luz en el objeto pueden ser uno o varios de los siguientes: reflexin o dispersin, absorcin, refraccin, o pueden pasar a travs del material, sin afectarse. Cada nivel energtico del tomo, determinado por sus niveles orbitales tiene una franja vaca (gap de energa, brecha de energa o zona prohibida) limitada en su parte superior por la llamada banda de conduccin y en su parte inferior por la llamada banda de valencia. Cuando un electrn se encuentra en la banda de conduccin es libre para movilizarse en el material. La corriente elctrica es justamente un flujo de electrones libres en un circuito elctrico. Al liberarse un electrn de un tomo, queda un hueco (falta de un electrn) y el tomo se convierte en un in de carga positiva, por ello se dice que se genera una pareja electrn-hueco.

Ec Eg V

Fig. 6.8 Aplicacin de voltaje externo y efecto en la corriente

La corriente resultante del diodo es ID = Ir Ig

Efecto de la Luz en la Unin n-pHasta ahora hemos analizado la unin n-p en la oscuridad, es decir sin el efecto de la luz. Sabemos que la energa de los fotones puede hacer saltar los electrones hacia la banda de conduccin. Como se ha reducido la banda de energa y creado un campo elctrico que atrae a los electrones en la zona de intercambio, al impactar los fotones en los electrones de la zona de intercambio los hace saltar hacia el lado p y se crea una corriente de generacin por fotones IL que se suma a la corriente de generacin Ig. Se produce un

I

pIL

Ig Ir

n

Fig. 6.9 Corrientes actuantes en una celda solar

efecto similar al del diodo con un voltaje externo hacia delante pero en este caso el voltaje 33


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externo proviene del Sol: hemos generado as una corriente elctrica en un semiconductor extrnseco. La corriente resultante de la celda solar I = IL + Ig Ir = ID - IL La corriente I que genera una celda solar viene dada por la ecuacin: V V T 1

I = I L I S expDonde: I= IL = Is = V= VT =

(6.1)

Corriente de la celda solar en el circuito elctrico (que por conveniencia se toma del polo positivo al negativo, I = -I en Amperios [A]. Corriente generada por los fotones en la celda solar en Amperios [A] (foto corriente). Corriente de saturacin con voltaje externo hacia atrs mximo antes de la ruptura de avalancha en Amperios [A]. Se conoce tambin como corriente de fuga o difusin. En celdas solares Is est en el orden de los 10-8 A m-2. Voltaje externo de la celda solar en Voltios, usualmente entre 0,4 a 0,6 [V] Voltaje propio de la celda en funcin de la temperatura en voltios [V] y que viene dado por:

VT =Donde:

kT q

(6.2)

q = carga del electrn = 1,6 x 10-19 Coulombios [C] Coulombio = Julio / Voltio; [C] = [J V-1] k = constante de Boltzman = 1,38 x 10-23 [J K-1] T = temperatura absoluta de la celda solar en grados Kelvin [K]

Circuito Equivalente de la Celda SolarLa celda solar real puede ser representada por el siguiente circuito elctrico equivalente, I G IL ID Rp + V Rs

Fig. 6.10 Circuito elctrico equivalente de la celda solar

Resolviendo el circuito para la corriente I de la celda solar tenemos: 34


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I = IL ID

(V IRS ) Rp

(6.3)

Donde: Rs = Resistencia en serie y representa las prdidas de los contactos superior e inferior entre la celda y los terminales de corriente. Esta resistencia debe ser lo menor posible. Rp = Resistencia en paralelo y representa los defectos estructurales al interior de la celda que producen prdidas. Esta resistencia debe ser lo ms grande posible. IL = Corriente generada por los fotones en la celda solar en Amperios [A] (foto corriente). ID = Corriente del diodo que depende de las caractersticas y calidad de la celda y de la radiacin solar. V = Voltaje externo de la celda solar.

Curva Corriente-Voltaje de la Celda SolarEl funci

energ%cdas_renovables

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