obtención de energía de las nubes
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Escuela Superior Politécnica del Litoral
OBTENER ENERGÍA DE LAS NUBES… ¿ES POSIBLE?
José Gabriel Burbano Flores
José Steeven Cepeda Moreira
Tamara Estefanía Moreno Almeida
Hernán Guillermo Peñaherrera Orbe
Edisson Paúl Sánchez Castro
Madelyne Carolina Velasco Mite
Diciembre 2015
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Resumen
En este proyecto, nosotros vamos a tratar de obtener energía a partir de las nubes con el
conocimiento obtenido en Física C. Las nubes tienen grandes cantidades de energía que no
hemos sido capaces de usar hasta ahora por lo que proponemos globos aerostáticos con
capacitores en paralelo dentro del mismo para obtener ventaja del volumen del globo. La idea es
desarrollar también una aplicación móvil que monitoree las cargas del globo y del auto para que
cuando la batería del carro esté baja, el globo descenderá y estará listo para darle energía al
carro. Cuando el globo esté con la carga completa, este descenderá para evitar sobrecargar
eléctrica y evitar daños al sistema.
Palabras claves: globo aerostático, nubes, energía de nubes
Conteo: 114
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Abstract
In this project, we will try to extract energy from the clouds with the knowledge we
gained on Physics C. The clouds have tons of energy that we were not able to use until now so
we propose an air balloon filled with parallel capacitors at many layers inside the balloon so it
will take advantage of the volume. The idea is to create a mobile application that retrieves
information about the car’s batteries and when it is low, the balloon descends and is ready to
charge the car. When the balloon’s capacitors are full of energy, the balloon will stay on earth to
avoid energy overload that could damage the system.
Keywords: air balloon, clouds, cloud energy
Word count: 112
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Contenido
Resumen ............................................................................................................................. 2
Abstract .............................................................................................................................. 3
Introducción ...................................................................................................................... 5
El carro: Tesla S ................................................................................................................ 7
Diseño ................................................................................................................................. 8
Características del globo............................................................................................... 9
¿Cómo se va a cargar? .................................................................................................. 9
Seguridad del globo ..................................................................................................... 11
Y… ¿Cómo va a pasar la energía hacia el carro? .................................................... 11
El sitio ideal: río Catatumbo, Venezuela................................................................... 12
Un poco de matemáticas ................................................................................................. 14
Conclusión ........................................................................................................................ 19
Referencias ....................................................................................................................... 20
Tabla de Ilustraciones ..................................................................................................... 21
Anexo 1: Especificaciones del Tesla S ........................................................................... 22
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Introducción
Uno de los principales problemas que tenemos en el planeta es el calentamiento global
causado en gran parte por el efecto invernadero de los gases generados por la actividad humana.
Entre estas actividades están la deforestación masiva y la quema de combustibles fósiles para
obtener energía.
Los combustibles fósiles son una fuente de energía no renovable porque existen en
cantidades limitadas. Entre estos están el carbón, gas natural, petróleo, etc. y son quemados para
producir energía, principalmente energía eléctrica. La combustión de estos recursos crea muchos
gases dañinos para las personas (enfermedades respiratorias) y para el medio ambiente (lluvias
ácidas, contaminación del aire).
Imagen 1: Fuentes de energía mundiales dependiendo del tipo de la fuente.
Por los efectos de la energía no renovable, se buscan nuevos métodos más limpios para
obtener energía entre los cuales están la energía solar, geotérmica, hidroeléctrica, eólica y
mareomotriz. Estos métodos están actualmente en desarrollo continuo para aprovechar más los
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recursos naturales de los cuales provienen y los gobiernos se interesan en ellos para reducir sus
emisiones de carbono según lo firmado en el protocolo de Kioto.
En este trabajo vamos a buscar un nuevo método para obtener energía a partir de nubes
eléctricamente cargadas. Las nubes cargadas poseen una gran cantidad de energía y pueden
producir una cantidad de energía lo suficientemente grande como para abastecer de energía
durante varios segundos a Estados Unidos. Para demostrar nuestro trabajo, nos vamos a enfocar
en la cantidad de energía necesaria para mover un carro (Tesla S) a una velocidad aproximada de
80 km/h durante 4 horas.
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El carro: Tesla S
Imagen 2: Tesla S
Se escogió el carro Tesla S por su constante desarrollo en tener un carro eficiente que
utilice energía eléctrica. Este carro tiene un dispositivo de carga llamado “snakebot” que
automáticamente localiza el puerto de carga una vez se abren las puertas del carro. Este
dispositivo actúa de manera independiente por lo que la persona no tiene la necesidad de
enchufar el carro a su dispositivo de carga.
Otra característica importante de este carro es su aleación de aluminio de alta resistencia
y baja densidad para compensar el peso de las baterías que tiene este carro eléctrico.
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Diseño
Para la solución, proponemos globos aerostáticos que volarán cerca de las nubes hasta
una altitud de 2000 metros sobre el suelo. Se escogió que el globo sea de forma elipsoidal para
aprovechar su volumen y área exterior. A mayor volumen, se pueden almacenar más capacitores
dentro del mismo y además, al tener una gran área exterior, este tendrá más celdas receptoras de
carga y podrá capturar la energía en menos tiempo.
Imagen 3: Modelo del globo aerostático
Además, el globo tendrá una estación que será la encargada de entregar la energía
eléctrica. En esta estación es donde estará el conector del auto para entregarle la energía
recolectada.
Imagen 4: Estación de distribución
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Características del globo
El globo tendrá las siguientes características:
Estará hecho de aluminio y litio en el exterior. Esta aleación se usa frecuentemente en la
aeronáutica por su baja densidad y soldabilidad
Hélices laterales para mover la nave
Una base en la parte inferior que será la encargada de suministrar la energía
Banco de capacitores, reguladores de energía y un sistema de enfriamiento
Sistema de conexión inalámbrica para medir la carga de los capacitores de la nave.
¿Cómo se va a cargar?
Nuestro globo se va a cargar por inducción. Esto ocurre cuando un cuerpo con exceso de
carga (en nuestro caso las nubes) se acerca a otro descargado (el globo) pero sin tener contacto
directo. Los que harán este proceso serán las celdas receptoras en toda el área del globo.
Una vez que las celdas estén capturando energía por inducción, se pasará a unos
reguladores de energía para evitar sobrecargas y un paso de energía uniforme para mandarlo a
los capacitores. Esto lo hacemos por el riesgo de que pase algún rayo cercano al globo y la
heterogeneidad de la carga en el ambiente y pueda sobrecargar y quemar el sistema.
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Imagen 5: Carga por inducción de los capacitores del globo aerostático
Los capacitores estarán organizados en paralelo para aprovechar a mayor cantidad de
energía posible distribuidos a lo largo del globo y completar nuestro objetivo. Al tenerlos en
paralelo, estos podrán almacenar más energía.
Imagen 6: Proceso resumido de carga del globo
Se elevara el vehículo aéreo a las cercanías de una nube de tormenta.
Al estar expuesto a enormes
cantidades de carga, el
vehículo las almacenara por
inducción.
Cuando la nave se cargue
completamente, se almacenara la
energía recolectada en un
super condensador de
grafeno
Desde el super condensador
saldrá el cable de conexión para poder
cargar el auto.
La nave subira de nuevo a las nubes una vez que haya dejado su energia
en el super condensador
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Nuestro proyecto está diseñado para poder realizar un proceso de carga muy rápido,
aproximadamente unos 60 minutos lo cual sería muy interesante poder lograrlo ya que lo menos
ameno de un carro eléctrico es el tiempo que se toman en cargar sus baterías. A partir de las
especificaciones técnicas (Ver Anexo 1) del carro modelo escogido, la duración de la carga en la
batería es para 350km, con lo cual se cargaría una sola vez de acuerdo a los requerimientos del
problema establecido.
Seguridad del globo
Al estar el globo en el aire, este estará a una altura prudente para evitar contacto directo
con las nubes pero sin apartarse mucho del aire ionizado. Al estar en mucha altura, el globo es
bastante propenso a que le impacte un rayo. Además, para evitar la sobrecarga del mismo, antes
de transmitir la energía a los capacitores, estos tendrán resistores entre las celdas y el conjunto de
capacitores para evitar quemar los equipos por exceso de energía. Otro punto importante es el
sistema de enfriamiento de los capacitores para evitar que se sobrecalienten y exploten. Altas
temperaturas pueden ser peligrosas para el globo en general e incendiarlo.
Y… ¿Cómo va a pasar la energía hacia el carro?
Este sistema contará con un aviso móvil que notificará al usuario del carro cuando tenga
batería baja y requiera ir a la estación para que se cargue. Cuando el carro esté cerca, el globo
aerostático bajará a la estación y tendrá un cable que será conectado al carro de manera directa
para cargarlo o a otras baterías en tierra para acumular la carga del mismo.
Además, mientras el globo esté cargado y el carro no necesite la energía eléctrica del
mismo, este estará en el suelo para evitar daños.
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El sitio ideal: río Catatumbo, Venezuela
Imagen 7: Ubicación del río Catacumbo en Venezuela
Uno de los mejores lugares para implementar este prototipo es en la vecindad del río
Catatumbo, Venezuela (ver imagen), seguido por Kifuka, República Democrática del Congo. El
río Catatumbo que desemboca en el lago de Maracaibo, presenta los relampagos más
consistentes del mundo, calculando que caen aproximadamente 1.6 millones de rayos al año (ver
imagen). Esto fenómeno meteorológico que generalmente empieza en el atardecer y termina al
amanecer del día siguiente se debe a que sobre las aguas del lago de Maracaibo llegan vientos
con aire caliente desde el Caribe, antes de chocar con el aire frío de los Andes creando nubes de
mayor desarrollo vertical.
El fenómeno es muy fácil de ver a cientos de kilómetros de distancia y facilita además a
los navegadores porque los rayos mantienen iluminada la zona por la frecuencia en la que estos
aparecen.
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Imagen 8: Rayos en las cercanías de Catacumbo
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Un poco de matemáticas
Como principales datos, tenemos:
Masa m: 1000 kg (1 ton.)
Tiempo del recorrido: 4 h
Velocidad promedio: 80 km/h
Como datos adicionales tenemos:
Coeficiente de fricción del pavimento seco (Uk): 0.7
Coeficiente de fricción del pavimento mojado (Uk): 0.4
Fuerza de fricción realizada por el pavimento y las llantas: Fk
Resistencia efectuada por el aire: R
Gravedad g: 9.8 m/s2
Densidad del aire ρ: 1.185g/l
Los cálculos están basados en el carro “Tesla S” con las siguientes características
Superficie frontal s: 2.83 m2
Coeficiente aerodinámico de resistencia Cx: 0.24
Consumo de batería: 14.49 KmH cada 100 Km
Motor: 185 kW
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Desplazamiento total:
∆𝑥 = 𝑉 ∗ 𝑇
∆𝑥 = 80 𝑘𝑚 ∗ 4 ℎ
∆𝑥 = 320 𝑘𝑚 = 320000 𝑚
Imagen 9: Diagrama de fuerzas
Imagen 10: Diagrama de las ruedas del carro
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La sumatoria de fuerzas en “y” y “x” será cero.
∑ 𝐹𝑥 = 0
∑ 𝐹𝑥 = −𝐹𝑘 + 𝑅
= −𝜇𝑘𝑁
= −0.55(1000)(9.8)
𝐹 = −5390 𝑁
F es la fuerza necesaria para mover el carro en condiciones ideales. Se considera que la
fuerza resultante en X será cero porque se moverá a velocidad constante por lo tanto esta no tiene
aceleración.
Para obtener el trabajo, se realiza una simple multiplicación entre la fuerza previamente
obtenida y el desplazamiento
𝑊 = 𝐹 ∗ ∆𝑥
= −5390 320000
= −1.72 𝑥109 𝐽
Ahora pasamos a calcular la potencia del auto, sabiendo que la fórmula de la potencia es:
𝑃 = 𝑊
𝑡= 𝐹 ∗ 𝑉
= −5390 ∗ 22.22
= 119765.8 𝑊
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Sabemos que una máquina eficiente es aquella que puede aprovechar toda la energía
suministrada pero en la realidad siempre hay pérdidas de energía por distintos factores tales
como el calor, sonido, etc.
En nuestro modelo de carro escogido, esperamos obtener una eficiencia igual al 90%, por
ende sabiendo que el trabajo realizado por el auto es igual a la energía de salida, calculamos la
energía que se debe obtener para compensar las pérdidas. Para estos cálculos, se usa la fórmula
de eficiencia:
𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒∗ 100
0.90 = −1.72𝑥109
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒∗ 100
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 = 133073.1 J
Sea 𝑢 = 1
2𝑐𝑣2 y tomando el voltaje del carro = 400 V
Ceq = 1.66F
Q = 2U / V
Q = 665.36 C
C =k Eo A/ L
Se utilizará el dieléctrico del titanato de bario (BaTiO3) con su coeficiente de resistencia
que va a depender de la temperatura por ende necesita de un sistema de refrigeración que lo
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mantenga a 20 ° C. Manteniéndolo a esa temperatura, la constante dieléctrica del dieléctrico será
de 1000.
Como
C =k Eo A/ L
Y manteniendo un L de 1mm que es la distancia ideal se obtiene que el área necesaria
sería
A = CL /KEo
= 18690 m2
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Conclusión
Se pudo obtener un resultado al problema que se describió previamente, como pudimos
comprobar con nuestros cálculos desarrollados no es aún un método factible ya que se necesita
una gran (carga o voltaje depende del cálculo) para poder efectuarlo y aunque pudimos obtener
un resultado matemático no resulta tan viable comenzando con el tiempo que tiene que llegar a
esperar el usuario por carga del auto, o por la capacidad de baterías que existen en la actualidad,
no están diseñadas para almacenar grandes cargas que lograría disminuir la frecuencia de carga.
Pensamos que es un sistema de obtención de energía futurista, con el desarrollo de la ciencia
sería capaz de ser la primera opción ecológica para el almacenamiento y distribución de carga.
Con este proyecto se espera a que se incentive a la investigación de estas tecnologías, es decir el
desarrollo de herramientas que sean hagan posible que nuestro proyecto sea efectivo y se
convierta en una opción para las energías sustentables.
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Referencias
Calentamiento Global. (2015). ¿Qué es el calentamiento global? Obtenido de Cambio Climático
Global: http://cambioclimaticoglobal.com/que-es-el-calentamiento-global
EcuRed. (s.f.). Electroestática. Obtenido de EcuRed:
http://www.ecured.cu/Electrost%C3%A1tica
erenovable. (11 de 9 de 2015). Energía No Renovable. Obtenido de erenovable.com:
http://erenovable.com/energia-no-renovable/
Tesla Motors. (2015). Tesla S | Tesla Motors. Obtenido de Tesla Motors:
https://www.teslamotors.com/models?redirect=no
Wikipedia. (15 de 11 de 2015). Relámpago del Catatumbo. Obtenido de Wikipedia, la
Enciclopedia Libre: https://es.wikipedia.org/wiki/Rel%C3%A1mpago_del_Catatumbo
Young, H., & Freedman, R. (2013). Física Universitaria con Física Moderna. México: Pearson.
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Tabla de Ilustraciones
Imagen 1: Fuentes de energía mundiales dependiendo del tipo de la fuente. .................... 5
Imagen 2: Tesla S ............................................................................................................... 7
Imagen 3: Modelo del globo aerostático ............................................................................ 8
Imagen 4: Estación de distribución .................................................................................... 8
Imagen 5: Carga por inducción de los capacitores del globo aerostático ........................ 10
Imagen 6: Proceso resumido de carga del globo .............................................................. 10
Imagen 7: Ubicación del río Catacumbo en Venezuela ................................................... 12
Imagen 8: Rayos en las cercanías de Catacumbo............................................................. 13
Imagen 9: Diagrama de fuerzas........................................................................................ 15
Imagen 10: Diagrama de las ruedas del carro .................................................................. 15
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Anexo 1: Especificaciones del Tesla S
Motor, prestaciones y consumo
Motor eléctrico Trifásico, motor de inducción de cuatro polos de
corriente alterna con rotor de cobre
Tipo de corriente Ac
Potencia máxima cv 378 cv
Par máximo 440 nm/rpm
Tensión nominal 400 v
Velocidad máxima 225 km/h
Aceleración de
0-100 km/h
5,6 s
Autonomía nedc 502 km
Autonomía epa 426 km
Autonomía autopista
80km/h
480 km
Transmisión
Tracción Trasera
Tipo de embrague Automático
Numero de
velocidades
Una sola marcha con una relación de 9,73:1
Batería
Tipo Iones de litio Panasonic 18650
Capacidad 85 kWH
Extraíble (s/n) No
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Motor, prestaciones y consumo
Tipo de cargador
(conector o enchufe)
Cargador incorporado de 10kw, compatible con 85-265 v,
45-65 Hz, 1-40. Compatible con los adaptadores j1772.
Tipo de carga / tiempo
100%
Lenta: 230 v a 3,3 kW =>12h | ultra-rápida: 90 a 120 kW
=> 20 minutos = 200km
Tipo de carga / tiempo
80%
Semi-rápida: 10 kW 1h = 50km
Vida/ciclos de carga
hasta 80%
8 años, sin límite de km
Dimensiones, peso, capacidades
Coeficiente de
resistencia a la rodadura
0,24 r
Largo 4976 mm
Ancho 1963 mm
Alto 1435 mm
Distancia entre ejes 2959 mm
Carga min/máx.
autorizada
2108 kg
Número de puertas 5
Número de plazas 5+2 opcionales para niños
Capacidad de
maletero
895 l
Chasis
Suspensión delantera De doble horquilla, eje virtual de dirección y muelle
Suspensión trasera Independiente multi-link con muelles
Frenos delanteros Frenos antibloqueo ABS con discos ventilados y freno de
estacionamiento electrónico. 355 mm x 32 mm
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Motor, prestaciones y consumo
Frenos traseros Frenos antibloqueo ABS con discos ventilados y freno de
estacionamiento electrónico. 365 mm x 28 mm
Neumáticos 19'' Goodyear Eagle rsa2, 245/45r19
Llantas Llantas de aluminio de 19 pulgadas
Dirección Electrónica de cremallera con relación variable y sensible
a la velocidad