ECOtecnologia

ECOtecnologia

Alex Escobar

IVR

Ediciones Impresos Visualexz S.A

Chile, Puerto Aysen Sargento Aldea 1250, Tel. (67) 522438

1. Edición 2010

Titulo original

Versión castellana Alexis Sebastian Escobar Ruiz

Diseño de libro: Alex Escobar

Diseño de sobrecubierta Edición, Impresos visualexz

Ninguna parte de esta publicación, incluido el diseño de la Cubierta, puede reproducirse, almacenarse o transmitirse de ninguna forma, ni por ninguna medio, sea este eléctrica, químico, mecánico, óptico, de grabación o de fotocopia, sin la previa autorización escrita por parte de

la Editorial.

Imprimido en españolISBN: 968-234-132-7

Fotocomposición: Impresos visualexz S.A, Aysen, ChileImpresión: Impresos visualexz S.A Aysen,Chile

La edición consta de 2500 ejemplares mas sobrantes para Reposición

ÍndiceEco tecnología 1-4

Calentamiento Global 5-10

Energías Alternativas 11-12

Energía eólica 13-17

El viento 18-23

Energía solar 24-31

Energía Mareomotriz 32-37

Celdas solares 38-49

ECOtecnologia

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Introducción

Ante los escenarios de pérdida de re-cursos naturales alrededor del mundo, personas y asociaciones han reunido esfuerzos por revertir y aliviar los daños causados, logrando impactar de manera profunda al quehacer y pensar de la so-ciedad moderna. El mundo de la tecno-logía y los procesos productivos también ha sido influenciado, y el siglo pasado vio nacer una nueva disciplina: La eco-tecnología. Para entender el término recurriré a su raíz etimológica: “Eco” proviene del griego “oikos” que significa “casa”, y la casa de un organismo, una población, o

bien, la sociedad humana, es el conjunto de componentes físicoquímicos como el suelo y el aire, junto con los seres vivos con quien se comparte el espacio. Esto deja claro que la ecotecnología es la disciplina encargada de manejar nuestra casa brindando las herramientas para aprovechar al máximo los componentes de los ecosistemas donde vivimos.

La ecotecnología se distingue de otras tecnologías de carácter geológico, hidro-lógico o climatológico por el manejo de las poblaciones de seres vivos. La forma de utilizarlos es única, pues a diferencia

de la biotecnología que metodiza la ex-tracción de productos a partir de orga-nismos individuales, la ecotecnología se enfoca en obtener beneficios del trabajo que realizan grandes cantidades de indi-viduos en poblaciones silvestres y auto-sustentables que requieren un mínimo de esfuerzo humano para su manutención. Lo anterior nos conduce hacia el prin-cipal objetivo de la ecotecnología: “…operar predominantemente con fuentes naturales de energía, requiriendo relati-vamente pocos insumos externos…”( H.T. Odum et al. 1963 in Mitsch 1996). Así, esta nueva disciplina se solidariza con la conservación de los recursos naturales mezclando conocimientos sobre la biodi-versidad y algo de arquitectura del pai-saje, para obtener el máximo provecho a nuestro “oikos”. Actualmente existen po-cos ejemplos de ecotecnologías exitosas y la más conocida son los humedales.

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Murciélagos Agricultores

re ciertas características de imper-meabilidad e inclinación, y es aquí donde entra la parte tecnológica. Muchas empresas se dedican a la construcción de humedales artificia-les aplanando y dando la pendien-te ideal al terreno; es común que se utilice una malla impermeable como base del humedal imitando los suelos arcillosos donde ocurren los pantanos naturalmente. La cons-trucción de humedales artificiales está tomando mucha popularidad por los bajos costos de manuten-ción y algunos otros beneficios, como el valor estético y biológico que representan. Pero mientras los humedales acaparan la atención del mundo de la ecotecnología, existen otros proyectos en desarro-llo, que merecen ser mencionados y dados a conocer.

Esta ecotecnología aún no recibe mucha atención debido a los mitos (y verdades incómodas) que existen alrededor de sus elementos: los mur-ciélagos. Estos animales del orden Chiroptera, de los mamíferos más variados y abundantes en nuestro país, también son protagonistas de las más terribles acusaciones y ac-tos de persecución en el agro mexi-cano. Algunas acusaciones están fundamentadas pero por desgracia -como comúnmente ocurre- pagan justos por pecadores, e importan-tes especies de murciélagos polini-zadores, dispersores de semillas y controladores de insectos plaga se encuentran en peligro. Detlev Kelm y sus colaboradores del instituto Leibniz en Alemania, comienzan a estudiar una manera de aprovechar el trabajo de los murciélagos como

Mucho mejor conocido como pan-tano (wetlands en inglés), un hu-medal puede entenderse como una planta tratadora de aguas residua-les viva. Los actores principales del tratamiento de aguas son los micro-organismos (bacterias, hongos y protozoarios) que crecen cerca de raíces de plantas gramíneas (pas-tos), que emergen sobre la superfi-cie del agua del pantano, o plantas flotantes (lirios y juncos). Algunos estudios de calidad de agua en-trante y saliente de humedales (Ta-naka et al.), reportan remociones significativas de agentes contami-nantes como nitratos (con pérdidas del 74%), fosfatos (38%) y hasta alrededor del 90% de bacterias fe-cales causantes de enfermedades intestinales. El problema con los pantanos es que el terreno requie-

Humedales

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“agricultores de bosques”, median-te la construcción de refugios arti-ficiales. En algunos experimentos reportan que: “…especies de mur-ciélagos frugívoros y nectarívoros colonizaron los refugios artificiales. Hubo un incremento significativo en la lluvia de semillas alrededor de los refugios, y se contaron 69 tipos diferentes de semillas. Éste método puede acelerar la sucesión vege-tal….promoviendo la regeneración forestal.” El autor menciona tam-bién los bajos costos del método, y la importancia de la dispersión de semillas con esta técnica que viene acompañada de uno de los mejo-res fertilizantes: el guano. Con los refugios artificiales, la polinización y dispersión de semillas de los mur-ciélagos pueden ser canalizadas y ubicadas en zonas estratégicas, pudiéndose utilizar para la regene-ración de bosques o para la agri-cultura convencional. Los refugios de murciélagos y muchas otras eco-tecnologías están todavía en desa-rrollo, en etapas de investigación y luchando por colocarse en el mun-do productivo. Es importante cono-cer estas nuevas tendencias, pues en el futuro el mundo de la tecno-logía tendrá que evolucionar hacia la máxima eficiencia con el mínimo de extracciones y alteraciones al medio ambiente. Para nuestra suer-te, la naturaleza lleva millones de años perfeccionando las mejores máquinas de aprovechamiento y manejo de recursos naturales, que son los seres vivos que nos rodean. La tecnología de las generaciones venideras deberá estar basada en el conocimiento, utilización e inge-niería de estos sistemas ecológicos y biológicos con quienes comparti-mos el planeta.

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El clima es el resultado de un sis-tema circulatorio a escala plane-taria, el movimiento de la masa de aire que rodea el globo bajo la influencia de la radiación so-lar y el constante intercambio con océano y suelo en un equilibrio dinámico muy complejo, regula-do por una serie de factores cuya influencia apenas empezamos a comprender, y que sin embargo, tenemos la cer teza de que esta-

mos alterándolos de forma irre-versible.El carácter unitario y global del clima fue percibido ya a principios del siglo pasado. Se intuía que atmósfera y océano te-nían un papel muy impor tante en la temperatura media del planeta y que par te de la energía que l le-gaba del Sol era, de alguna for-ma, retenida por la atmósfera.

No mucho mas tarde (1861) se

atribuyo al vapor de agua y al dióxido de carbono (CO2) esta absorción parcial, e incluso algu-nos científ icos l legaron a aven-turar que pequeños cambios en la proporción de estos gases po-dían tener efectos climáticos con-siderables. Este es un fenómeno que en los últ imos años ocupa la atención mundial, y se denomina comúnmente efecto invernadero. La analogía se debe a que agua y dióxido de carbono (también otros gases como metano, oxido nitroso...) actúan como el vidrio en un invernadero: la radiación solar atraviesa la atmósfera y l le-ga hasta la super ficie donde se transforma en calor, que es re-emitido nuevamente a través de ella como radiación infrarroja; una par te de esta radiación es absorbida por los gases de efec-to invernadero (GI). La energía retenida hace que la temperatura media de la super ficie del globo sea de unos 15ºC en lugar de los -18ºC que corresponden a la ra-diación que sale del planeta.

Hay pruebas de que en épocas pasadas las variaciones en la cantidad de irradiación solar y en la composición de la atmósfe-ra dieron lugar a unas condicio-nes ambientales muy diferentes a las de hoy. Así hace 100 mi-l lones de años, cuando existían los dinosaurios, la cantidad de CO2 era de 4 a 8 veces mayor y la temperatura media 10 o 15ºC

Cambio C l imát ico

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superior a la actual, mientras du-rante la ult ima glaciación, hace 10.000 años, la temperatura me-dia bajo a 9 o 10ºC, en corres-pondencia con un contenido en CO2 de unos 2/3 del que cono-cemos ahora. Cier tamente el clima evoluciona, la cuestión es con que rapidez y con que margen de adaptación para los seres vivos. En poco mas de un siglo la actividad hu-

mana ha aumentado la cantidad de CO2 atmosférico en un 25% y doblado la concentración de metano; el reforzamiento consi-guiente del efecto invernadero necesariamente dará lugar a un aumento de la temperatura, que se calcula de 1ºC cada 30 años, mientras que desde la ult ima gla-ciación su ri tmo de cambio ha sido de 1ºC cada 500 años.

¿Que transformaciones del cli -ma pueden esperarse en adelan-te? Depende de la cantidad de emisiones de GI en los próximos años, de que fracción de estos permanezca en la atmósfera y de los fenómenos de reforzamiento o amortiguamiento del cambio que pongan en marcha las modi-f icaciones del clima ya en curso.

En un mundo que no se de por enterado, es decir si todo sigue como hasta ahora, se prevé que las emisiones de CO2 continúen creciendo un 1% anual hasta el año 2050, junto con la de otros GI (metano, oxido nitroso, CFC y ozono troposferico principalmen-te) que en conjunto pueden supo-ner un reforzamiento del efecto invernadero equivalente al del CO2.La mitad aproximadamente de este dióxido de carbono se trans-f iere al océano, al suelo y a la vegetación donde queda almace-nado, pero esta proporción pue-de ser alterada en ambos sentidos:

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que puede calcularse la evolución del clima. Tampoco es enteramente satisfactoria su exactitud, por la fal-ta de conocimiento de las complejas y múltiples transferencias de gases y energía entre atmósfera, mar, hielos, bosques, etc... y particularmente de la evolución de las nubes y los océa-nos (un investigador estima en 10 o 15 años de trabajo el tiempo necesa-rio para representar adecuadamente en los programas estos fenómenos, y otro tanto para resolver los proble-mas que se presenten). Aun así hay suficiente acuerdo entre los científicos del clima para prever un aumento de 1.5 a 4.5ºC en la temperatura de la superficie. Este cambio es compara-ble a los 5ºC que nos separan del máximo de la ultima era glacial (hace

18.000 años), pero desarrollado en-tre 10 y 100 veces mas deprisa.

Las consecuencias no serán unifor-mes geográficamente; de nuevo van a pagar justos por pecadores. El ciclo hidrológico se vera alterado por la mayor evaporación del agua (que a su vez refuerza el calentamiento), se prevé un aumento de las lluvias en las latitudes altas durante el invierno, e intensificación de las sequías del 5% de frecuencia actual a un 50% para el 2050; las zonas con mayor ries-go son el interior de los continentes y precisamente las que mas la sufren hoy día: Sahel, Norte frica, Sudeste de Asia, India, Centroamerica y Me-diterráneo. Con gran probabilidad, el nivel del mar se elevara debido a

la expansión térmica del agua y la fu-sión de los glaciares de montaña. Se calcula un incremento de 10 a 30 cm para el 2030 y hasta 1 metro para el 2050. Una subida semejante signifi-caría la contaminación de acuíferos, la recesión de costas y tierras húme-das, hasta el 15% de la tierra fértil de Egipto y el 14% de la de Bangladesh serian inundadas con la subida máxi-ma prevista. Se teme un retroceso de los bosques en el interior de los con-tinentes, sustituidos por ecosistemas mas degenerados.

El calentamiento esperado excede con mucho la capacidad de migra-ción de comunidades naturales, resul-tando una destrucción sin reemplazo y un empobrecimiento de los ecosis-temas, perdida de especies y en defi-nitiva perdida de la capacidad de la Tierra para soportar vida. Quizá la agricultura industrializada pueda res-ponder a la nueva situación con sufi-ciente rapidez (aunque en EE.UU. la ola de calor del año 1988 significo un descenso del 30% en la cosecha de grano), pero la agricultura de los países en desarrollo no tiene medios para una adaptación semejante.

Hay muchos fenómenos de gran al-cance cuya evolución frente al cambio climático es incierta, por ejemplo, las consecuencias de un Océano Artico sin hielo sobre las corrientes marinas y su influencia en la pesquería, o el

la estimulación del crecimiento de las plantas retiraría mas CO2, pero el aumento de temperatura podría ace-lerar la descomposición de los dese-chos biológicos liberando carbono en suelos secos y metano en arrozales y zonas pantanosas; sobre el proceso de acumulación en los océanos las incertidumbres son todavía mayores. A pesar de tantas cuestiones pendien-tes, se estima que la concentración de CO2 atmosférico se doblara hacia el año 2030.

El único modo que tienen los cientí-ficos del clima de hacerse una idea de las consecuencias es elaborar mo-delos matemáticos en ordenador. La precisión con que puede preverse el comportamiento climático no es alen

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desarrollo sin limites. Se ha calculado que la estabilización de la concentra-ción efectiva de CO2 en la atmósfera requiere la reducción de emisiones de origen energético al 70% del nivel de 1990 para el año 2020, y aun así dicha estabilización solo tendría lugar una década después con una cantidad de dióxido de carbono un 8% mayor que en 1990

La propuesta de la conferencia de To-ronto (1988) es que en el 2005 las emisiones procedentes de uso de la energía y procesos industriales sean inferiores en un 20% a las de 1990. Este objetivo mínimo exige una revi-sión urgente de las políticas económi-cas, energéticas y de transporte del mundo desarrollado.Sin embargo, no es menos cierto que

probable desplazamiento de enfermedades tropicales hacia otras zonas de la Tierra.

¿Por que se ha llegado a esta situación y en un tiempo tan breve? La quema de combustibles fósiles arroja a la atmósfera una media de 3 Kg. de carbono por persona y día; esta media combina los 15 Kg. diarios de un norteamericano o los 4,5 Kg. de un español con el escaso 1,4 Kg. emitido por un habitante de un país no desarrollado. Los combustibles fósiles se queman casi exclusivamente para producir energía que, en el primer mundo es consumido 7 veces mas por habitante que en el Tercer Mundo.

El modelo económico y productivo dominante identifica bienestar con expansión y esta con consumo de energía creciente (desde principios de siglo se ha multiplicado por 30). El 75% de la energía que se utiliza procede de combustibles fósiles: petróleo (32%),carbón (26%) y gas natural (17%), que producen unas 6 Gt anuales de CO2. Sin haberlo planeado nos hemos topado con los limites del sistema económico actual, bastante an-tes del anunciado agotamiento de los recursos.

La única defensa razonable ante el cambio climático es la reducción drástica de emisiones de dióxido de car-bono cambiando el sistema energético y por tanto el económico, renunciando a la devoradora filosofía de

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la satisfacción de las necesidades básicas del Tercer Mundo, formado por el 80% de la humanidad y donde tiene lugar el 90% del aumento de población, conlleva un crecimiento de la demanda energética que podría alcanzar un 4 o 5% anual en las actuales condiciones. Para dar salida a ambas prioridades hay que aplicar simultáneamente dos estrategias: el ahorro de energía mediante la racionalización del uso y el empleo de tecnologías eficientes, y obtención de la energía impres-cindible por métodos renovables de bajo impacto ambiental. Todo ello dentro de un necesario cambio de modos de vida, reduciendo el con-sumo en el Norte para que el Sur tenga margen para aumentar el suyo hasta niveles dignos.

Las crisis del petróleo de los años 1973 y 1979 demostraron que el ahorro puede considerarse en si mismo una fuente de energía: la in-tensidad energética (energía necesaria para producir una unidad de PIB) de la CE se redujo en un 25%. El informe de la Comisión Mundial para el Desarrollo y Medioambiente (informe Bruntland) señala que es posible reducir a la mitad el consumo de energía de los países ricos

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y crecer simultáneamente un 3% anual. Requiere un considera-ble esfuerzo la reconversion de las economías occidentales para aprovechar el potencial de aho-rro, aunque, irónicamente, algu-nos analistas sostienen que en un verdadero mercado libre, no de-formado por la presión de grupos de interés, seria la opción natural pues la obtención y quema de un barril de petróleo, por ejemplo, es mas cara que la implantación de medios de eficiencia que evitarían necesitarlo.

Es fundamental que la demanda energética de los piases en vías de desarrollo se satisfaga con tec-nologías eficientes, la utilización de la mejor tecnología disponible podría proporcionar, en ciertos países, un nivel de servicios simi-lar al de Europa en los 70 con un consumo de energía solo un 20% superior al que tenían en los 80. Además la eficiencia reduce el nu-mero de centrales necesarias, por tanto libera capital y disminuye la sensibilidad al coste de sumi-nistros. No faltan vías de solución a los problemas que enfrenta el planeta, sino voluntad política de llevarlas a cabo, como ejemplo véase que a lo largo de los últi-mos diez años menos del 1% de los prestamos del Banco Mundial se han dirigido a proyectos de efi-ciencia. Las energías renovables todavía reciben una atención me-ramente simbólica de muchos go-biernos, a pesar de ello suminis-tran el 20% del consumo mundial, y para el año 2030 estarían en situación de cubrir el 70% si se

impusiera la racionalidad energé-tica. Por el contrario, pese a nacer con un apoyo gubernamental casi ilimitado, la energía nuclear solo alcanza a suministrar el 5% del consumo mundial y en la ultima década se ha llevado (junto con los combustibles fósiles) el 74% de la financiación publica para I+D de los países industrializados. Se pretende sacar partido del cambio climático para rehabilitar su mal nombre con el argumento de que no es generadora de CO2, pero se puede afirmar que la apuesta por la energía nuclear empeora el calentamiento global al desviar inversión en eficiencia eléctrica, que desplazaría bastante mas combustión de carbón por unidad de coste.Para enfrentar el cambio climáti-co, la producción de energía eléc-trica por métodos sin combustión basados en recursos renovables tiene ventajas abrumadoras: una central convencional de carbón emite 962 Tm/GW por hora de operación mientras una eólica tan solo 7.4 durante el proceso de construcción. La energía solar fo-tovoltaica y térmica se sitúan por debajo de esta cifra. Los impactos ambientales asociados (únicamen-te el ahorro energético, la energía no producida, carece de efectos ambientales indeseables) se cen-tran en ocupación del suelo y al-teración del paisaje (en algunos casos impacto sobre la avifauna, alto nivel de ruido, elaboración con productos peligrosos o suma de pequeños impactos), pero son en cualquier caso menores que los de fuentes convencionales: una

central de carbón ocupa 2.7 veces mas territorio que una eólica para la misma producción de energía.Así como en materia de genera-ción eléctrica existen alternativas viables e incluso, hoy por hoy, competitivas en el mercado, para un uso energético masivo y en crecimiento como es el transpor-te, la dependencia de derivados petrolíferos es superior al 95% sin que aparezca en el horizonte próximo ninguna tecnología que lo sustituya. El 30% del total de energía consumida en el mundo se emplea, como consumo final para transporte (la mitad del petróleo importado en el caso del estado español). Se estima que origina el 25% de las emisiones de car-bono a la atmósfera, además del 47% de los óxidos de nitrógeno y cantidades semejantes de hidro-carburos y conocido de carbono. El transporte de mercancías por carretera en camiones de 40 Tm produce 5 veces mas CO2 que por ferrocarril, y sin embargo se prevé un crecimiento del 40 al 70% en los próximos 20 años del transpor-

te por carretera. Las medidas apli-cables para disminuir el impacto del transporte son, esencialmente, maximizar la eficiencia de los ve-hículos mediante normas de obli-gado cumplimiento para fabrican-te y usuarios (limites de velocidad) y reducir su utilización fomentan-do una amplia red de transporte publico con incentivos para el tren, y una política urbanística que favorezca el uso de la bicicleta y cierre el paso del coche al centro de la ciudad (todo lo contrario a la construcción de aparcamientos subterráneos). También planificación del territo-rio para disminuir las necesidades del transporte y la dependencia del coche privado en el urbanismo disperso. No hay mucho tiempo para la duda, el panorama con que se presenta el nuevo siglo es muy sombrío y nuestra capacidad para modificarlo disminuye con la acumulación de CO2. Cuanto mas se retrase la adopción de nuevas tecnologías energéticas eficientes y blandas mas difíciles serán las medidas a tomar.

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Esta sección se tratará el trema de las fuentes de energías alternati-vas o fuentes de energías renova-bles.Sobre la energía solar se exami-narán los conceptos básicos sus distintos usos y aplicaciones. Las células solares, células fotovoltai-cas, y paneles solares, abarcando su historia, sus principios, fabrica-ción y sus aplicaciones. La energía eólica, como aprove-char la energía del viento, y las ventajas de la misma. Los compo-nentes y el funcionamiento de las turbinas eólicas.

Energias

Alternativas

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Energía

eólica

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Energia aeolica

Más de 15.000.000 millones de KV/H de electricidad se generan anualmente en todo el mundo. De esto, cer-ca de el 65% es producido quemando combustibles fósiles y el resto se obtiene de otras fuentes, incluyendo nuclear, hidroelectricidad, geotérmica, biomasa, solar y el viento. Solamente cerca del 0.3% de esta energía es producida convirtiendo la energía cinética del viento en energía eléctrica, sin embargo, el uso del viento para la producción eléctrica se ha estado extendiendo rápidamente en años recientes, debido en gran parte a las mejoras tecnológicas, la maduración de la industria y una creciente preocupación por las emisiones asociadas a la quema de combustibles fósiles. Todavía hay mucho lugar para crecer, pues solamente una porción pequeña del recurso utilizable del viento está siendo aprovechada. Mediante las regulaciones a la industria eléctrica, así como con incentivos por parte de los gobiernos, desempeñan un importante papel determinante en cuan rápidamente se adoptará la energía eólica. Las políticas eficaces ayudarán a allanar el camino y asegurarán de que la energía eólica pueda competir con otras fuentes de energía en el mercado de la electricidad.

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Ventajas de la energía eólica

La energía eólica tiene muchas ventajas que la hacen una fuente de energía atractiva tanto en gran escala como para pequeñas aplicaciones. Las características beneficiosas de la energía eólica incluyen.

E n e r g í a l i m p i a e i n a g o t a b l e : La energía del viento no produce ninguna emisión y no se agota en un cierto plazo. Una sola turbina de viento de un megavatio (1 MW) que funciona durante un año puede reemplazar la emisión de más de 1.500 toneladas de dióxido de carbono, 6.5 toneladas de dióxido de sulfuro, 3.2 toneladas de óxidos del nitrógeno, y 60 libras de mercurio. Desarrollo económico local: Las plantas eólicas pueden proporcionar un flujo constante de ingresos a los terratenientes que arriendan sus campos para la explotación del viento, y un aumento en la recaudación por impuestos territoriales para las comunidades locales. Tecnología modular y escalable: las aplicaciones eólicas pueden tomar muchas formas, incluyendo grandes granjas de viento, generación distribuida, y sistemas para uso final. Las aplicaciones pueden utilizar estratégicamente los recursos del viento para ayudar a reducir los riesgos por el aumento en la carga o consumo y costos producidos por cortes.

Estabilidad del costo de la energía: La utilización de energía eólica, a través de la diversificación de las fuentes de energía, reduce la dependencia a los combustibles convencionales que están sujetos a variaciones de precio y volatilidad en su disponibilidad. Reducción en la dependencia de

Combustibles importados: la energía eólica no esta afectada a la compra de combustibles importados, manteniendo los fondos dentro del país, y disminuyendo la dependencia a los gobiernos extranjeros que proveen estos combustibles.

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¿De dónde proviene la energía del viento? Como la mayoría de las fuentes de energía terrestres, en última ins-tancia viene del sol. El sol irradia 174.423.000.000.000 kilovatios/hora de energía a la tierra. Es decir, en una hora la tierra recibe 1.74 x 1017 vatios de energía. Aproximadamente entre el 1 y el 2 por ciento la energía que provenien-te del sol es convertida en viento. Ésa cantidad es de 50 a 100 veces más que la energía convertida en biomasa por todas las plantas de la

tierra. Las diferencias de temperatu-ra conducen a la circulación de aire. Las regiones alrededor de ecuador, de latitud 0°, son calentadas por el sol más que el resto del planeta. El aire caliente que es más ligero que el aire frío y se eleva hasta alcanzar aproximadamente 10 kilómetros (6 millas) de altitud y se separará en dos corrientes una se dirige hacia el norte y otra al sur. Si el globo no rotara, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al polo sur, bajaría, y volvería al ecuador. Los vientos predominantes se combi-

nan con factores locales, tales como la presencia de colinas, montañas, árboles, edificios y masas de agua, para determinar las características particulares del viento en una loca-lización específica. Puesto que el aire posee masa, el aire en movi-miento en forma de viento lleva con él energía cinética. Una turbina del viento convierte esta energía ciné-tica en electricidad. El contenido de energía de un volumen determi-nado de viento es proporcional al cuadrado de su velocidad. Así, al duplicarse la velocidad con la cual

este volumen de aire pasa a través de una turbina de viento dará lugar a un aumento de cuatro veces la potencia que se puede extraer de este aire. Además, al duplicarse la velocidad del viento permitirá que dos veces el volumen de aire pase a través de la turbina en la misma cantidad de tiempo, dando por re-sultado un aumento de ocho veces la potencia generada. Esto significa que con solo un leve aumento en ve-locidad del viento puede obtenerse aumentos significativos en la pro-ducción de energía.

E l V iento

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Una turbina eólica es un dispositivo mecánico que convierte la energía del viento en electricidad. Las turbi-nas eólicas diseñan para convertir la energía del movimiento del vien-to (energía cinética) en la energía mecánica, movimiento de un eje. Luego en los generadores de la tur-bina, ésta energía mecánica se con-vierte en electricidad. La electrici-dad generada se puede almacenar en baterías, o utilizar directamente. Hay tres leyes físicas básicas que gobiernan la cantidad de energía aprovechable del viento. La prime-ra ley indica que la energía gene-rada por la turbina es proporcional a la velocidad del viento al cuadra-do. La segunda ley indica que la energía disponible es directamente proporcional al área barrida de las

paletas. La energía es proporcional al cuadrado de la longitud de las paletas. La tercera ley indica que existe una eficacia teórica máxi-ma de los generadores eólicos del 59%. En la práctica, la mayoría de las turbinas de viento son mucho menos eficientes que esto, y se dise-ñan diversos tipos para obtener la máxima eficacia posible a diversas velocidades del viento. Los mejores generadores eólicos tienen efica-cias del 35% al 40%. En la práctica las turbinas eólicas se diseñan para trabajar dentro de ciertas velocida-des del viento. La velocidad más baja, llamada velocidad de corte inferior que es generalmente de 4 a 5 m/s, pues por debajo de esta velocidad no hay suficiente energía como para superar las pérdidas del

sistema. La velocidad de corte supe-rior es determinada por la capaci-dad de una máquina en particular de soportar fuertes vientos. La velocidad nomi-nal es la velocidad del viento a la cual una máquina particular alcan-za su máxima potencia nominal. Por arriba de esta velocidad, se

Turb inas eó l icas

puede contar con mecanismos que mantengan la potencia de salida en un valor contante con el aumento de la veloci-dad del viento. Los elementos prin-cipales de cualquier turbina del viento son el rotor, una caja de en-granajes, un generador, equipo del control y monitoreo y la torre.

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Rotor.Las palas del rotor se diseñan para que giren con en el viento, movien-do el generador de la turbina. Las turbinas del viento modernas de gran escala típicamente se equi-pan de rotores de tres palas con extensiones de 42 a 80 metros (138 a262 pies) de diámetro.Caja de engranajesLos engranajes se utilizan para au-mentar la frecuencia para la pro-ducción eléctrica.

Generador.Este es quien genera la electricidad cuando hay suficiente viento como

para rotar las paletas. La electri-cidad se transfiere a la siguiente etapa usando el cableado (para el almacenaje, envió a la red o para el uso directo). Las turbinas de gran escala generalmente contie-nen generadores con capacidades entre 600 kilovatios y 2 MW.

Torre.La torre eleva el montaje de las tur-binas sobre las corrientes de aire turbulentas cerca de la tierra y per-mite capturar un viento de mayor velocidad. El diseño de torre es particularmente crítico, pues de-ben ser tan altas como sea econó-micamente posible (generalmente

entre 40 y 100 metros), también deben ser robustas, permitir el ac-ceso a la turbina para su mante-nimiento, pero no agregar costo innecesario al sistema. Un aspec-to particularmente importante del diseño de torres es la eliminación de la resonancia entre la gama de frecuencias de las paletas que ro-tan y la frecuencia de resonancia de la torre. Una instalación eólica a gran es-cala, llamada granja eólica o par-que eólico, consiste en una colec-ción de estas turbinas.Hay dos factores principales que hay que considerar al momento de realizar un emplazamiento de

turbinas eólicas. Estos son la lo-calización donde se ubicaran las turbinas y el otro es la altura que tendrán las torres. A continuación explicamos ambos factores.

Localización.Las estimaciones exactas de la ve-locidad del viento son críticas al momento de evaluar el potencial de la energía eólica en cualquier localización. Los recursos eólicos son caracterizados por una esca-la de clases de viento según su velocidad, que se extiende de la clase 1 (la más bajo) a la clase 7 (la más alta). Los desniveles de la superficie a través de la cual so-

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pla el viento antes de llegar a una turbina determina la cantidad de turbulencia que ésta turbina expe-rimentará. Los vientos turbulentos ejercen mayores tensiones sobre el rotor y se elevan, reduciendo con-secuentemente la expectativa de vida de la turbina. Así, la mayoría de granjas del viento están ubica-das en localizaciones rurales, le-jos de edificios, de árboles y de otros obstáculos. Mientras que las características técnicas del vien-to en una localización específica son muy importantes, muchos otros factores también contribuyen en la decisión del emplazamiento. Una localización alejada de la red de

distribución eléctrica puede llegar a ser poco rentable, pues se reque-rirán nuevas líneas de transmisión para conectar la granja eólica con la red. La infraestructura de trans-misión existente puede llegar a ne-cesitar una ampliación para poder manejar la fuente de energía adi-cional. Las condiciones del suelo y del terreno deben ser convenientes para la construcción de las funda-ciones de las torres. Finalmente, la eleccion de una localización pue-de estar limitada por regulaciones sobre el uso de la tierra y la ca-pacidad de obtener los permisos requeridos de las autoridades lo-cales, regionales y nacionales.

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Es una masa de materia gaseosa caliente que irradia a una tempera-tura efectiva de unos 6000ºC. De la distribución espectral de la radia-ción de esta fuente de energía, medida fuera de la atmósfera terrestre, aproximadamente la mitad esta en la región visible del espectro, cerca de la otra región visible del espectro, cerca de la otra región infrarroja y un pequeño porcentaje de la región ultravioleta. El sol esta a una distancia de 149490000 kilómetros de la Tierra, y la constante solar, esto es, la intensidad media de radiación medida fuera de la atmósfera en un plano normal la radiación es aproximadamente 1.94 cal/min. cm3.Radiación que llega a la Tierra. La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de las Tierra se reduce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación, en intervalos de longitud de onda específicos, por los gases de la atmósfera, dióxido de carbono, ozono, etc., por el vapor de agua, por la difusión atmosférica por la partículas de polvo, moléculas y gotitas de agua, por reflexión de las nubes y por la inclinación del plano que recibe la radiación respecto de la posición normal de la radiación. La intensidad de la radiación medida en la superficie de la Tierra varía de 1.6 a 0. El total Energia solar

El sol

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de la energía solar que llega a la Tierra es enorme. Lo EE.UU., por ejemplo, reciben anualmente alre-dedor de 1500 veces sus deman-das de energía total. En un día de sol de verano, la energía que llega al tejado de una casa de tipo medio seria más que suficien-te para satisfacer las necesidades de energía de esa casa por 24 hora. En la tabla 1 se dan valores típicos de la radiación que se re-cibe en la superficie de la Tierra. La figura 2, muestra la cantidad de radiación recibida en superfi-cies orientadas de modo diferente en días claros (latitud 42ºN).La distribución espectral de la radiación en la superficie de la tierra ha sido extensamente estu-diada y se ha propuesto una serie de curvas a modo de patrón, para diferentes masas de aire. La masa de aire, m, se define como la ra-diación y el espesor cuando el sol esta en el cenit y el observador a nivel del mar. La curva de trazos en la figura 1 muestra la curva patrón propuesta por una masa de aire igual a 2. La tabla II indica la distribución de energía transmitida en tres

intervalos de longitud de onda, para diversas masas de aire, m, y se basa en la constante solar de 1.896 cal/min. cm.Usos posibles de la energía so-lar.En una lista parcial de posibles usos de la energía solar, figur a n , C a l e f a c c i ó n , d o m e s t i c a , Re f r i g e r a c i ó n , C a l e n t a m i e n t o , de agua,Destilación,Generación de energía,Fotosíntesis,Hornos solares Cocinas,Evaporación,Acondicionamiento de aire,Control de heladas Secado. Se han ensayado todos los usos citados de la energía solar en escala de laboratorio, pero no se han llevado a la escala industrial. En muchos casos, el costo de la realización de estas operaciones con energía solar no pueden competir con el costo cuando se usan otras fuentes de energía por la gran inversión inicial que es necesaria para que funcionen con energía solar y por ello la mayor parte de los estudios de los problemas de utilización de esta energía esta relacionado con problemas económicos.Las instalaciones solares pueden considerarse clasificadas por tres

tipos de aplicación. Primero, hor-nos solares, usados como medio de laboratorio para obtener altas temperaturas en diversos estudios y propuestos para usos semi indus-triales. En segundo lugar los usos potenciales de disposiciones sola-res sencillas, como cocinas, refri-gerantes y bombas de irrigación en regiones no industrializadas, con radiación segura y en donde los actuales recursos de energía no son satisfactorios o resulten ca-ros. Un tercer grupo de aplicación de energía solar podrá competir en el futuro económicamente con otras fuentes de energía en al-gunas zonas de países industria-lizados, como los EE.UU., si los adelantos técnicos en este campo o los cambios en el costo de la energía de otras fuentes llegan a alterar su costo relativo.Los problemas con que se tropie-za para recoger la energía solar, almacenarla y usar la energía re-sultante, son los mismos para nu-merosos usos potenciales de esta fuente de energía y se estudian uno por uno en lo que sigue. la discusión acerca de los usos posi-bles se estudia mas adelante.

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Aplicaciones de la energía solarEn lo que sigue se discuten mas de-talladamente los principios expues-tos en relación con las diferentes aplicaciones de la energía solar para calefacción, enfriamiento y refrigeración de recintos, evapora-ción y destilación, generación de energía, hornos solares y diferen-tes usos.

Calefacción solar como medio de bienestarLa calefacción solar tiene interés principalmente por dos razones; en primer lugar, la calefacción para bienestar importa en los EE.UU. aproximadamente un tercio de las demandas totales de energía para calefacción, y en segundo lugar, las módicas temperaturas empleadas para calefaccionar re-cintos permiten uso de colectores de plancha plana que funcionan a temperaturas relativamente bajas y con rendimiento razonablemente bueno. Los estudios de calefacción domestica indican que el colector de plancha plana orientado en la posición indicada e incluido en la estructura del edificio como par-te integrante de ella, es el tipo de colector para esta aplicación. El almacenamiento de calor por transiciones de fase en productos químicos, por calentamiento de lechos de guijarros, con colecto-res de aire o mediante tanques de agua con colectores calentadores de agua.El tamaño del colector y el número

de unidades de almacenamiento se determinan por la carga de calefac-ción del edificio, el análisis del tiempo solar y los costos de combustible. Un simple análisis indica el almacenamiento de calor suficiente que se requiere para satisfacer las demandas caloríficas del edificio durante el periodo nublado mas largo previsto, basado en el registro de datos me-teorológicos, si la carga de calefacción ha de provenir totalmente de la energía solar. En el norte de los EE.UU., por ser los ciclos del tiempo muy variables, no es económicamente práctico confiar en la energía solar para toda la carga de calefacción; los análisis indican que deben utili-zarse fuentes de calor auxiliares. Estudios detallados del tiempo solar y de los factores económicos, realizados por Hottel y sus colaboradores en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, indican que en Cambridge el sistema de calefacción solar más económico es el que proporciona dos tercios de la carga de calefacción.

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Enfriamiento y refrigeración.El uso de energía solar para enfriamiento de recintos o acondiciona-miento de aire tiene atractivo porque hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento y por la posibilidad de usar una parte de todo el sistema de calentamiento solar para el acondicionamiento del aire. Se han propuesto varios sistemas básicos para el acondicionamiento de aire por energía solar, entre ellos los sis-temas de deshumectacion y de enfriamiento por absorción de calentados por el sol.

Un esquema de deshumectador activado por el sol, en el cual como desecante se usa trietilenglicol, es el que la figura 4. El aire que ha de circular en el espacio acondicionado se deshumedece en una cámara de rociado donde se pone en contacto con el trietilenglicol concentrado y

frío. La solución de glicol absorbe humedad del aire y vuelve a circular por cambiadores temidos adecuados hasta una cámara de rociado y despojo donde se pone en contacto con el aire calentado por el sol y se seca para volver a circular hacia el absorbedor de la corriente de aire que circula hacia la casa y se devuelve a la atmósfera en el aire calentado por el sol que atraviesa la cámara de despojo. Puede usarse un refrigerante de evaporación para enfriar el aire seco. Este tipo de unidad seria útil e regiones de humedad relativamente alta. La medición de las temperaturas del blanco en los hornos solares se hace por fusión de sustancias de punto de fusión conocidos y por medios pirometricos ópticos o de radiación.Se usan hornos solares en gran variedad de estudios experimentales, entre ellos, la fusión de materiales refractarios, la realización de reac-ciones químicas e investigación de las relaciones de fase en sistemas

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de alto punto de fusión como sílice alúmina.

La estabilización del oxido de cir-conio refractario por adición de pequeñas cantidades de CaO en recipientes centrífugos es uno de los muchos trabajos publicados por Trombe, quien también ha eli-minado flúor de mezcla de fosfa-tos por calentamiento en un horno en presencia de sílice y vapor de agua, según la reacción:

[Ca3(PO4)2]3.CaF2 + xSiO2 +H2O 3 Ca2(PO4)2 + (SiO2)x.CaO + 2HF

Se ha preparado, con buen rendi-miento, oxido de circonio calen-tando silicato de circonio a 1400 ºC con carbonato de sodio, Según la ecuación:

ZrSiO4 + 2Na2CO3 Na4SiO4 + 2CO2 + ZrO2

Entre otros usos propuestos para los hornos solares figuran los ex-perimentos de pirólisis instantánea en investigación química inorgáni-ca y orgánica y estudios geoquimi-cos de rocas y minerales.Se ha propuesto el uso de un sis-tema de refrigeración mecánico en el que trabajo de compresión se hace por un motor que funcio-na por la energía del sol, y en el cual el acondicionamiento del aire o del refrigerante seria de diseño convencional. Estos sistemas tiene

el inconveniente de que se necesita conversión de energía calórica a mecánica. Otro método es el uso de calor en los refrigerantes de tipo de absorción. La figura 5 es un diagrama de un ciclo posible para refrige-ración por absorción de un sistema de tipo solar. La energía del sol se usa para calentar un fluido que circula por un generador o rehervidor de la unidad de refrigeración por absorción. La unidad de absorción funciona de modo corriente, como en acondicionador de aire por gas de Servel, con las modificaciones necesarias en el diseño según el nivel de temperatura de que se puede disponer con los colectores que se usan. También seria posible usar el colector solar como rehervidor o generador y evitar de este modo el uso de un fluido intermedio para la transferencia de calor y de u cambiador térmico.

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Hornos solaresLos hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidos con precisión para enfocar la ra-diación solar en superficies pe-queñas y de este modo poder ca-lentar “blancos” a niveles altos de temperatura. El limite de tempera-tura que puede obtenerse con un horno solar esta determinado por el segundo principio de la termo-dinámica como la temperatura de la superficie del sol, esto es 6000 ºC, y la consideración de las pro-piedades ópticas de un sistema de horno limita la temperatura máxi-ma disponible. Se han usado hor-nos solares para estudios experi-mentales hasta 3500 ºC y se han publicado temperaturas superiores a 4000 ºC. Las muestras pueden calentarse en atmósferas contro-

ladas y en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo si así se desea.

El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en n pun-to focal los rayos que entran en el reflector paralelamente al eje. Como el sol comprende un ángu-lo de 32’, aproximadamente, los haces de rayos no son paralelos y la imagen en el foco del receptor tiene una magnitud finita. Como regla empírica, el diámetro de la imagen es aproximadamente la razón de longitud focal/111. La longitud focal determina el tama-ño de la imagen y la abertura del reflector la cantidad de energía que pasa por el área focal para una velocidad dada en incidencia de radiación directa. El cociente

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entre la abertura y la longitud fo-cal es, pues, una medida de flujo de energía disponible en el área focal y con arreglo a este flujo se puede calcular una temperatura de cuerpo negro.

La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de heliostatos, o espejo plano móvil, para llevar la radiación solar al reflector pa-rabólico. Esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario en posición vertical, con lo cual se pueden colocar apara-tos para atmósfera controlada y movimiento de muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. El poder de reflexión del heliostato varía de 85 a 95% según su construc-ción, por lo que resulta para el horno una perdida de flujo del 5

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al 15%, y la disminución corres-pondiente a las temperaturas que se alcanzan. La tabla III muestra algunas propiedades de cuatro hornos solares.

Se construyen hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de alu-minio, cobre o de otros elementos y se han construido hornos mas grandes de múltiples reflectores curvos.

El reflector o blanco usado en los hornos solares puede ser de varias formas. Las sustancias pueden fun-dirse en si mismas en cavidades de cuerpo negro, encerrarse en envoltura de vidrio o de otra ma-teria transparente para atmósferas controladas, o introducirse en un recipiente rotatorio “centrifugo”.

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Energia MareomotrizLa posibilidad de la extinción de los recursos energéticos fósiles, entre otros motivos, ha conducido a la comunidad científica a considerar el aprovechamiento de fuentes energéticas alterativas renovables, tales como las derivadas del sol, del viento y del océano. Las técnicas de captación de las energías solar y eólica, por ejemplo, han alcanzado ya un grado de desarrollo tal que se han convertido, en algunos casos en económicamente rentables. La disponibilidad universal de los recursos marinos hace que estos sean vistos como una fuente para saciar, en parte, la creciente demanda de potencia eléctrica que, según se predice,

podría llegar a rondar los 10° W en el próximo siglo. Si bien la tecnología para captar la energía oceánica existe, Las dificultades que implican las operaciones en el mar hacen que su extracción no resulte tarea fácil. Las posibilidades son muy variadas e incluyen las olas, las corrientes oceánicas, los gradientes térmico y salino del agua de mar, y la marea. De todas ellas, las que han alcanzado un mayor grado de desarrollo son las que se basan en las olas, el gradiente térmico y la dinámica de la marea. Las restantes se hallan en etapas menos avanzadas.Cada una de estas posibilidades representa una considerable inversión de capital y posee sus propias limitaciones y problemas de implementación. Algunas tienen una producción intermitente, otras necesitan costosos sistemas de almacenamiento, pero todas deben estar en fase con la infraestruc-tura económico-social proporcionada por las tecnologías convencionales.

Es evidente que de todas las formas de energía contenidas en el mar sólo sea posible utilizar aquellas que se adecuen a las restricciones que impon-ga la propia región de interés. Por ejemplo, para la conversión de la energía de las olas se requiere que la zona cuente con un adecuado promedio anual en la velocidad del viento, así como con una buena exposición de la costa frente al mar (Hagerman, 1988). En el caso de la energía deri-vada de la marea, el hecho de que se necesiten simultáneamente grandes amplitudes y determinadas condiciones morfológicas, tales como golfos, bahías profundas o estuarios, limita el número de lugares en el mundo en condiciones de albergar un proyecto de este tipo (Carmichael, Adams y Glocksman, 1988). Otro tanto ocurre con la conversión de la energía a partir del gradiente térmico entre las aguas superficiales y las profundas; éste debe ser del orden de los 20°C, lo que sólo se verifica en la zona comprendida entre las latitudes 20°N y 20°5 (Kinelski, 1985).

La energía del mar

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Los recursos de las mareas son las variaciones que se dan en el nivel del mar dos veces al día, causa-das, principalmente, por el efec-to gravitacional de la Luna, y en una menor medida, del Sol, en los océanos del planeta. La rotación de la Tierra es también un factor en la generación de las mareas. El aprovechamiento de la energía de las mareas no es un nuevo concep-to y se ha venido usando desde, al menos, el siglo XI en Inglaterra y Francia para el almacenamiento en molinos de granos.

Recursos de las mareas

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Es esencial comprender los principios que producen el aumento de las mareas para explicar la energía de las mismas. Si bien es complejo alcanzar un conocimiento profundo de las interacciones que se encuentran en juego, el origen de las mareas puede ser explicado en términos generales investigando los efectos gravitacionales de la Luna y el Sol en el océano y el efecto de las fuerzas centrífugas.Efectos gravitacionales y la fuerza centrífuga. La interacción

de la Luna y la Tierra dan como resultado que los océanos del planeta crezcan hacia la Luna. En el lado opuesto de la Tierra a la Luna, el efecto gravitacional está parcialmente neutralizado por la Tierra, resultando en una menor interacción y los océanos ubicados en ese lugar se alejan de la Luna, debido a las fuerzas centrífugas. Esto es conocido como Marea Lunar. Esta situación se complica por la interacción gravitacional del Sol que resulta en un efecto idéntico, de los océanos del planeta creciendo y alejándose del Sol en los lados adyacentes y opuestos de la Tierra. Este fenómeno es conocido como Marea Solar.Como el Sol y la Luna no están ubicados en posiciones fijas en la esfera celeste, sino que cambian de posición con respecto uno del otro, su influencia en el rango de mareas (la diferencia entre la marea alta y baja) también se ve afectada. Por ejemplo, cuando la Luna y el Sol están en línea con la Tierra, el rango de marea es la superposición del rango de las Mareas Lunar y Solar. Esto resulta en el rango de marea máximo (mareas de primavera). Por el contrario, cuando la Luna y el Sol están ubicados en ángulo recto a cada uno, se producen las diferencias de mareas más pequeñas (ver Figura 1), resultando en las Mareas Muertas.El rango de la marea de primavera es normalmente el doble de la de

Física de las mareas

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la marea muerta, mientras que los ciclos de períodos más largos señalan menores perturbaciones. En el océano abierto, la amplitud máxima de las mareas es de aproximadamente un metro. Las amplitudes aumentan sustancialmente hacia la costa, particularmente en los estuarios. En algunos casos el rango de mareas puede ampliarse por la reflexión de la ola de marea en la línea costera o por resonancia. Este es un efecto especial que ocurre en estuarios largos, con forma de trompeta, cuando el largo del estuario es cercano a un cuarto del largo de la ola de la marea. Estos efectos se combinan para generar un rango de marea de primavera de más de 11 metros en el Estuario Severn en el Reino Unido. Como resultado de estos diversos factores, el rango de la marea puede variar sustancialmente entre diferentes regiones costeras.

En el océano las fuerzas de origen externo son producidas por el Sol y la Luna. El Sol, por calentamiento, da lugar al movimiento del aire, es decir, los vientos, y la Luna colabora en la generación de la marea, o sea que produce el ascenso y descenso periódico de la superficie del mar. Los movimientos del aire se originan con los cambios de temperatura. El Sol calienta la Tierra, las aguas y el aire que la rodean, pero este calentamiento no es uniforme. El aire se calienta más en ciertas partes del planeta que en otras. A mayor calor el aire se torna más liviano y se eleva, dando lugar a zonas de bajas presiones.

Los astros generadores de la marea son. en orden de importancia, la Luna y el Sol. Juntos dan lugar a la marea, pues ambos atraen las masas de agua de la Tierra en la misma forma que ésta atrae objetos próximos a su superficie.

Debido a la fuerza de atracción gravitacional y a! hecho que la Luna, el Sol y la Tierra se hallan en movimiento en relación uno con el otro, las aguas de las cuencas oceánicas también se ponen en movimiento. Una vez que esto ocurre, se manifiesta el fenómeno de la marea. El movimiento de los grandes volúmenes de agua por efecto de la marea es una forma de movimiento ondulatorio.

Mareas

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Corrientes y tormentasEn el océano, las bahías y las lagunas adyacentes, las corrientes se producen cuando el agua de una zona se encuentra más alta que la de otra zona próxima. El agua de la zona más alta fluye hacia la más baja, creando así una corriente. Algunas de las causas de estas diferencias de alturas en el mar se deben al viento, la marea, la rompiente y a las corrientes que retornan hacia el mar desde la zona costera. El viento, al soplar sobre el agua superficial, crea una “tensión” sobre las partículas de agua e inicia el movimiento de ellas en la dirección en la cual está soplando, creándose de este modo una corriente superficial. Cuando una corriente de estas características se dirige hacia la costa, el agua tiende a apilarse contra ella, produciendo así una sobreelevación. Se ha comprobado que durante tormentas violentas el viento puede elevar el nivel del mar en varios metros.

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Características de las playas Una playa se caracteriza por las dimensiones medias de las partículas de arena que la componen, por el rango y la distribución de las dimensiones de dichas partículas, por la altura y ancho de la berma, por la pendiente de la anteplaya y por la pendiente general de la costa interior y la zona frontal de

la playa. Por lo general, cuanto mayor es el tamaño del grano que compone la arena, mayor será la pendiente de la playa, en cambio, cuanto más fina es la arena menor será la pendiente de la playa.Las mareas para producir energíaLa necesidad de la energía de las mareas en un sistema de energía sustentableLa energía de las mareas presenta

un potencial muy grande para mejorar el transporte, debido al desarrollo de puentes para automóviles y ferroviarios sobre estuarios, y la reducción de las emisiones de gases que producen el efecto invernadero, gracias a la utilización de la energía de las mareas en reemplazo de los combustibles fósiles. Las mareas pueden proveer una base de generación de energía para desplazar a los combustibles fósiles y a las tecnologías contaminantes que dañan directamente el medio ambiente. Existen problemas con los sistemas de mareas que utilizan grandes represas para su generación, sin embargo existen otros métodos para generar energía de a partir de las mareas que no requieren este tipo de grandes construcciones. El recursoEl World Offshore Renewable Energy Report 2002-2007 (Informe de la Energía Renovable Fuera de Costa Mundial 2002-2007), emitido por el DTI en el Reino Unido, señala que existía un estimado de 3000GW de energía

de las mareas disponible (BWEA 2004). Sin embargo debido a la naturaleza de este recurso, la cantidad de energía que se puede obtener de las mareas varía según la ubicación y el momento. El cambios de rendimiento del flujo y el reflujo de cada día; también pueden variar en un factor de aproximadamente cuatro a lo largo de un ciclo de marea de primavera – marea muerta. De todas formas esta variabilidad es altamente predecible tanto en el volumen como en el momento, debido a la naturaleza de la física que subyace a las mareas.El futuro de la energía de las mareasEl futuro de la energía de las mareas parece comenzar a brillar con el desarrollo de tecnologías de generación de mareas que tienen poco impacto en el medio ambiente, y que además tienen costos de capital más bajos y por lo tanto menores costos de producción. La energía de las mareas parece estar comenzando a ser una parte importante del futuro de la energía sustentable.

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Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química.

La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.

Celdas solares

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Aunque las celdas solares eficientes han estado disponibles recién desde mediados de los años 50, la investigación científica del efecto fotovoltaico comenzó en 1839, cuando el científico francés, Henri Becquerel descubrió que una corriente eléctrica podría

ser producida haciendo brillar una luz sobre ciertas soluciones químicas.

El efecto fue observado primero en un material sólido (el metal selenio) en 1877. Este material fue utilizado durante muchos años para los fotómetros, que requerían de cantidades muy pequeñas de energía. Una comprensión más profunda de los principios científicos, fue provista por Albert Einstein en 1905 y Schottky en 1930, la cual fue necesaria antes de que celdas solares eficientes pudieran ser confeccionadas. Una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar que incidía sobre ella en electricidad fue desarrollada por Chapin, Pearson y Fuller en 1954, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos especializados tales como satélites orbitales a partir de 1958.

Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad tienen una eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años. En la actualidad existen una gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio (amorfas, monocristalinas o policristalinas), del mismo modo que para las celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, etc).

Los orígenes de celdas solares

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Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas (wafers)monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de

un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta.Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir, pero

no tan eficiente como las celdas monocristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo.En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado. El silicio amorfo, una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo de

Elaboración de una celdas solares

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tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico. Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas

en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes.En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio.

En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas.Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan a los átomos adyacentes. Substituyendo un átomo del silicio por un átomo que tenga 3 o 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros,

ésta es la base del doping. En el doping tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopaje de tipo n, la creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo. Una vez que se crea una unión p-n, se hacen los contactos eléctricos al frente y en la parte posterior de la célula evaporando o pintando con metal la plancha. La parte

posterior de la plancha se puede cubrir totalmente por el metal, pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla o de líneas finas de metal, de otra manera el metal bloquearía al sol del silicio y no habría ninguna respuesta a los fotones de la luz incidente.

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Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas (“agujeros”) de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas,

puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos. La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico esta determinado por:

El tipo y el área del material La intensidad de la luz del sol La longitud de onda de la luz del sol Por ejemplo, las celdas solares de silicio monocristalino actualmente no pueden convertir más el de 25% de la energía solar en electricidad, porque la radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas positivas y negativas en el material.

Las celdas solares de silicio policristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio monocristalino.

Una típica célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (el 1000Wm-2). La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de

salida también será disminuida a la mitad).

Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula.

La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia empleando

Funcionamiento de una celdas solares

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un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula.

Otros tipos de materiales fotovoltaicos que tienen potencial comercial incluyen el diselenide de cobre e indio (CuInSe2) y teluo de cadmio (CdTe) y silicio amorfo como materia prima.

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Puesto que una sola célula fotovoltaica tiene un voltaje de trabajo cercano a 0.5 V, estas generalmente se conectan juntas en serie (positivo con negativo) para proporcionar voltajes más grandes. Los paneles se fabrican en una amplia gama de los tamaños para diversos propósitos que generalmente caen en una de tres categorías básicas:Paneles de bajo voltaje / baja potencia son confeccionados conectando entre 3 y 12 segmentos pequeños de silicio amorfo fotovoltaico con un área total de algunos centímetros cuadrados

Paneles Fotovoltaicos

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para obtener voltajes entre 1.5 y 6 V y potencias de algunos milivatios. Aunque cada uno de estos paneles es muy pequeño, la producción total es grande. Se utilizan principalmente en relojes, calculadoras, cámaras fotográficas y dispositivos para detectar la intensidad de luz, tales como luces

que se encienden automáticamente al caer la noche. Paneles pequeños de 1 - 10 vatios y 3 - 12 V, con áreas de 100cm2 a 1000cm2 son hechos ya sea cortando en pedazos celdas mono o policristalinas de 100cm2 y ensamblándolas en serie, o usando paneles amorfos de silicio. Los usos

principales son en radios, juguetes, bombeadores pequeños, cercas eléctricas y cargadores de baterías. Los paneles grandes, de 10 a 60 vatios, y habitualmente 6 o 12 voltios, con áreas de 1000cm2 a 5000cm2 son generalmente construidos conectando de 10 a 36 celdas del mismo tamaño en serie. Se utilizan individualmente para bombeadores pequeños y energía de casas rodantes (luces y refrigeración) o en conjuntos para proporcionar energía a casas, comunicaciones, bombeadores grandes y fuentes de energía en área remotas.

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Módulos y ConjuntosSi una aplicación requiere más energía de la que puede ser proporcionado por un solo panel, pueden ser hechos sistemas más grandes combinando juntos un número de paneles. Sin embargo, se presenta una complicación en los casos que la potencia y voltaje requerido a es mayor al nivel y uniformidad que puede ser proporcionado directamente de los paneles. En estos casos, se utilizan los sistemas fotovoltaicos, compuestos por las siguientes partes: un conjunto de paneles fotovoltaicos,

variando de dos a varios centenares de paneles. Un panel de control, que regula la energía de los paneles. un sistema del almacenaje de energía, constituido generalmente de un conjunto de baterías especialmente diseñadas. un inversor, para convertir la Corriente Continua en Corriente Alterna (por ejemplo CA de 220 V). Un marco y una cubierta para el sistema. En forma opcional se puede contar con fuentes de alimentación de reserva tales como generadores diesel. Otros elementos que pueden llegar a formar parte del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores. Los paneles en los conjuntos funcionan generalmente en serie/

paralelo, para limitar el voltaje de la salida entre 12 y 50 voltios, pero con un amperaje más alto (corriente). Esto es por seguridad y para reducir al mínimo las pérdidas de energía. Los conjuntos de paneles se están utilizando cada vez más en la construcción de edificios en donde cumplen dos funciones, proporcionar una pared o un techo y abastecer de energía eléctrica al edificio. Eventualmente cuando bajen los precios de celdas solares, la construcción de edificios con celdas solares integradas puede convertirse en una fuente de la energía eléctrica importante.La cantidad de energía diaria entregada por los paneles fotovoltaicos variará dependiendo de la orientación, de la localización, del clima y de la época del año. En promedio, en verano, un panel producirá cerca de cinco veces la energía especificada en vatio por horas y por día, y en invierno cerca

de dos veces esa cantidad. Por ejemplo, en verano un panel de 50 vatios producirá un promedio de de 250 vatios/hora, y en invierno cerca de 100 vatios/hora. Estos valores son solamente indicativos, y se debe buscar ayuda profesional para obtener cálculos más exactos.Los mecanismos de seguimiento se utilizan para mantener los paneles fotovoltaicos directamente frente al sol, de modo de aumentar la potencia de salida de los paneles. Los mecanismos de seguimiento pueden casi duplicar la salida de un conjunto de paneles fotovoltaicos. Se requiere de un análisis cuidadoso para determinar si el incremento en el coste y la complejidad mecánica de un mecanismo de seguimiento es rentable en circunstancias particulares. Frecuentemente es necesario almacenar la energía debido a que se requiere energía aun cuando el sol no está brillando (ya sea durante la noche o en

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períodos cuando el cuielo esta nublado) o en cantidades mayores a las que pueden ser provistas directamente del conjunto. Se utilizan generalmente baterías de “ ciclo profundo” diseñadas especialmente. A Diferencia de las baterías normales, estas pueden descargar cerca de la mitad de la energía almacenada varias miles de veces antes de que deterioren. Cada batería generalmente es de 2 V, y el conjunto total de baterías esta formado generalmente por varias baterías conectadas en series o paralelo para proporcionar el nivel de energía requerido. Las baterías deben ser las adecuadas

para satisfacer cada uso particular, dependiendo de la radiación solar diaria total, la carga total, la carga máxima y el número de días de almacenaje requerido. Los inversores transforman la corriente continua de la baja tensión de las baterías (12V, 24V, 32 o 48V) en corriente alterna de alto voltaje (por ejemplo 110V o 220 V). Los inversores son necesarios si se van utilizar electrodomésticos o instrumentos de voltaje normal. En la determinación del costo total del sistema, puede llegar a ser más económico comprar un inversor y electrodomésticos producidos para consumo masivo que utilizar electrodomésticos de

corriente continua de baja tensión que pueden ser más costosos.Algunas aplicaciones, tales como luces de alta eficacia actualmente no se encuentran disponibles para bajas tensiones. En este caso, el costo de utilizar más paneles debe ser equilibrado con el costo de un inversor. Fuentes de potencia auxiliar o de reserva son requeridas cuando debe ser garantizada la confiabilidad

de la fuente de electricidad, cuando es poco económico proporcionar el almacenaje con baterías para períodos nublados extendidos infrecuentes, o cuando algunas aplicaciones tienen requisitos intermitentes de grandes cantidades de energía que sean poco convenientes de satisfacer con el sistema fotovoltaico. En ocasiones, si es viable la combinación del sol y del viento, se utilizan generadores eólicos conjuntamente con sistemas fotovoltaicos. Pequeños generadores a gasolina o diesel se utilizan a menudo como reserva. Estos sistemas son relativamente baratos de comprar pero su funcionamiento es costoso.

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