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Director Ing. Horacio D. Vallejo Producción José María Nieves

Autor de este Tomo de Colección: Ing. Alberto H. Picerno Selección y Coordinación: Ing. Horacio D. Vallejo

EDITORIAL QUARK S.R.L.

Propietaria de los derechos en castellano de la publicación mensual SABER ELECTRÓNICA - Herrera 761 (1295) - Capital Federal - Buenos Aires - Argentina - T.E. 4301-8804 Administración y Negocios Teresa C. Jara Patricia Rivero Rivero Margarita Rivero Rivero

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Se denomina energía verde a la energía generada a partir de fuentes de energía primaria que intentan no contaminar o que respetan el medio ambiente. Se trata de las energías cuyo modo de obtención o uso no emite subproductos que puedan incidir negativamente en el medio ambiente. Actualmente, están cobrando mayor importancia a causa del agravamiento del efecto invernadero y el consecuente calentamiento global, acompañado por una mayor toma de conciencia a nivel internacional con respecto a dicho problema. Asimismo, economías nacionales que no poseen o agotaron sus fuentes de energía tradicionales (como el petróleo o el gas) y necesitan adquirir esos recursos de otras economías, buscan evitar dicha dependencia energética, así como el negativo en su balanza comercial que esa adquisición representa. Y como la idea del uso de las energías verdes es obtener principalmente energía eléctrica, decidimos editar este manual, con el fin de que los lectores tengan bases de lectura que permitirá el estudio posterior de otros tomos en los que veremos los aspectos electrónicos de conversión y uso de estas energías. No me considero un experto en el tema y por ello debo aclarar que recurrí a abundante material de lectura para la redacción de cada informe, mismos que se presentaron (o se presentarán) en nuestra querida revista Saber Electrónica. Para la preparación de cada tema tuve en cuenta las consultas realizadas por varios lectores, las que me llevaron a la conclusión que debía presentar informes sencillos que reflejen claramente que la generación de energía eléctrica a partir del sol, del agua o del viento se puede obtener hasta en forma artesanal y sin grandes complicaciones. Decidí agregar un informe sobre proyectos de iluminación con LED, justamente porque el uso de estos elementos contribuye al ahorro de energía, siendo una forma más de “cuidar a nuestro planeta”. En el CD que puede descargar encontrará, entre otras cosas, más de 50 proyectos de iluminación, 10 de los cuales son el tema que abordaremos en un próximo tomo de la colección Club Saber Electrónica.

SOBRE EL CD Y SU DESCARGA Ud, podrá descargar de nuestra web un Curso Multimedia Completo Sobre Energías Renovables, que posee TODAS las lecciones, videos, test de evaluación, guías y proyectos prácticos, etc. Para realizar la descarga deberá ingresar a nuestra web: www.webelectronica.com.mx, tendrá que hacer clic en el ícono password e ingresar la clave “renuevacd”. Tenga este texto cerca suyo ya que se le hará una pregunta aleatoria sobre el contenido para que pueda iniciar la descarga.

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TIPOS DE ENERGÍA - ENERGÍAS VERDES Y CONTAMINANTES Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, unas por la inmensa cantidad de energía que contienen, y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Una energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. El concepto de "crisis energética" aparece cuando las fuentes de energía de las que se abastece la sociedad se agotan. Como las fuentes de energía fósil y nuclear se agotan, es inevitable que en un determinado momento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema colapse, salvo que se descubran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener energía: éstas serían las energías alternativas y, entre ellas, se prefieren las denominadas “energías renovables” que no contaminen el medio ambiente. Las fuentes renovables de energía pueden dividirse en dos categorías: no contaminantes o limpias y contaminantes. Entre las primeras: La llegada de masas de agua dulce a masas de agua salada: energía azul. El viento: energía eólica. El calor de la Tierra: energía geotérmica. Los ríos y corrientes de agua dulce: energía hidráulica. Los mares y océanos: energía mareomotriz. El Sol: energía solar. Las olas: energía undimotriz. Las contaminantes se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa, y se pueden utilizar directamente como combustible (madera u otra materia vegetal sólida), bien convertida en bioetanol o biogás mediante procesos de fermentación orgánica o en biodiésel.

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Tipos de Energía

Antes de comenzar con el desarrollo de la energía solar, veremos una introducción a los distintos tipos de energía, su definición y cómo se las emplea: En física, “energía” se define como la capacidad para realizar un trabajo. Si miramos a nuestro alrededor se ve que las plantas crecen, los animales se mueven y que las máquinas y herramientas hacen muchas tareas. Todas estas actividades necesitan energía.

Figura 1

La energía es una propiedad de los objetos y sustancias y que se ve en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. La figura 1 muestra un esquema que ejemplifica el ciclo de la energía.

El Concepto de Energía

la energía química según la composición química, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella y la energía térmica según el estado termodinámico. La energía no es un estado físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo una magnitud escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. Se utiliza como una abstracción Figura 2

En la física, la ley universal de conservación de la energía, que es la base para el primer principio de la termodinámica, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece en el tiempo. No obstante, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, contienen energía; además, pueden poseer energía adicional que se divide conceptualmente en varios tipos según las propiedades del sistema que se consideren (figura 2). Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica según el movimiento de la materia, 4

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de los sistemas físicos por la facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad o la posición. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica newtoniana tiene la propiedad de conservarse, es decir, ser invariante en el tiempo. Matemáticamente, la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether (figura 3).

Clasificación de la Energía

La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de Estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva. Por lo tanto todo cuerpo es capaz de poseer energía, esto gracias a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, por supuesto todas coherentes y complementarias entre sí, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo. Por ejemplo la energía mecánica es la combinación o suma de los siguientes tipos:

Figura 3 así debido a las deformaciones

elásticas). Una onda también es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico. En electromagnetismo se estudia a las siguientes energías: Energía electromagnética, que se compone de: a) Energía radiante: la energía que poseen las ondas electromagnéticas. b) Energía calórica: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. Energía potencial eléctrica, que se compone de: a) Energía eléctrica: resultado de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos. En la termodinámica están: Energía interna, que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema. Energía térmica, que es la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica) mediante la combustión. En la “teoría de la relatividad” se estudia: Energía en reposo, que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E = mc2, que establece la equivalencia entre masa y energía. Energía de desintegración, que es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración.

Energía cinética: relativa al movimiento. Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. Por ejemplo, está la Energía potencial gravitatoria y la Energía potencial elástica (o energía de deformación, llamada

Al redefinir el concepto de masa, también se modifica el de energía. En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de

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un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:

Figura 4

Energía del vacío: un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia. En química aparecen algunas formas específicas no mencionadas anteriormente, como ser: Energía de ionización, una forma de energía potencial, es la energía que hace falta para ionizar una molécula o átomo. Energía de enlace, es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, en función de la entalpía y energía calórica.

La energía potencial electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación:

Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular.

La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable.

La energía potencial es la que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos contextos de la física son:

El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido.

La energía potencial puede definirse solamente cuando existe un campo de fuerzas que es conservativa, es decir, que cumpla con alguna de las siguientes propiedades:

El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo.

Figura 5

La energía potencial gravitatoria asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica). La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por: donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial.

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Se puede demostrar que todas las propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo llamado "potencial cero". La energía cinética es un concepto fundamental de la física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de las partículas del sistema. Hecha una primera clasificación, vamos a desarrollar cada uno de estos conceptos.

Energía Mecánica

La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, puede ser energía potencial y/o cinética (figura 4). La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Esta definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la veloci-

dad que posee. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética (figura 5).

Energía Cinética

Un ciclista quiere usar la energía química que le proporcionó su Figura 6 comida para acelerar su bicicleta a una velocidad elegida. Su rapidez puede mantenerse sin mucho trabajo, excepto por la resistencia del aire y la fricción. La energía es convertida en una energía de movimiento, conocida como energía cinética pero el proceso no es completamente eficiente y el ciclista también produce calor. Para que un cuerpo adquiera energía cinética, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor. Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo. Por ejemplo, si una bolita de vidrio de 5 gramos de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2 km/h no se hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sin embargo, si con esa misma velocidad avanza hacia nosotros un camión, no se podrá evitar Figura 7 la colisión. La energía cinética se representa con esta formula: Ec = (1 / 2) . m . v2 Donde: Ec = Energía cinética m = masa v = velocidad

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Cuando un cuerpo de masa (m) se mueve con una velocidad (v), posee una energía cinética (Ec) que está dada por la fórmula escrita más arriba.

Figura 8

En esta ecuación, debe haber concordancia entre las unidades empleadas. Todas ellas deben pertenecer al mismo sistema.

En Conclusión La energía cinética, es la parte de la energía mecánica de un cuerpo y corresponde al trabajo o las transformaciones que un cuerpo puede producir, debido a su movimiento, es decir, todos los cuerpos en movimiento tienen energía cinética y cuando están en reposo, no tienen esta energía cinética. La energía cinética es aquella que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto.

por nuestro organismo, liberan la energía. Todos los cuerpos tienen energía potencial que será tanto mayor cuanto mayor sea su altura. Como la existencia de esta energía potencial se debe a la gravitación (fuerza de gravedad), su nombre más completo es energía potencial gravitatoria (figura 7).

Energía Química Energía Potencial

Puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Los carros de una montaña rusa alcanzan su máxima energía cinética cuando están en el fondo de su trayectoria. Cuando comienzan a elevarse, la energía cinética comienza a ser convertida a energía potencial gravitacional, pero, si se asume una fricción insignificante y otros factores de retardo, la cantidad total de energía en el sistema sigue siendo constante.

Es la energía acumulada en los alimentos y en los combustibles. Se produce por la transformación de sustancias químicas que contienen ellos y posibilita mover objetos o generar otro tipo de energía, como en la plantas (figura 8). En la actualidad, la energía química es la que mueve los automóviles, los buques y los aviones y, en general, millones de máquinas. Tanto la combustión del carbón, de la leña o del petróleo usada en las máquinas de vapor como la de los derivados del petróleo en el estrecho y reducido espacio de los

Todo cuerpo que se ubicado a cierta altura del suelo posee energía potencial, incluso el agua que cae hacia el vacío debido a su energía potencial (figura 6). Esta afirmación se comprueba cuando un objeto cae al suelo, siendo capaz de mover o deformar objetos que se encuentren a su paso. El movimiento o deformación será tanto mayor cuanto mayor sea al altura desde la cual cae el objeto. Otra forma de energía potencial es la que está almacenada en los alimentos, bajo la forma de energía química. Cuando estos alimentos son procesados 8

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Y está presente en toda la materia pero sólo se nos muestra cuando hay una alteración de ella. “La energía química está presente en la mayoría de los hechos cotidianos”.

Energía Eléctrica

Figura 11

cilindros de un motor de explosión, constituyen reacciones químicas.

Es almacenada dentro de un cuerpo no se puede ver pero al desprenderse, puede producir efectos visibles. En los fuegos artificiales la energía química se hace visible como energía radiante. Una pila de una linterna, al encender la linterna trasforma la energía química almacenada en energía eléctrica, esta a su vez en energía térmica en el filamento de la lamparita, para finalmente iluminar transfiriendo energía radiante y térmica al ambiente.

La electricidad se genera a partir de otras fuentes de energía, principalmente en: centrales hidroeléctricas donde se usa la fuerza mecánica de agua o en centrales termoeléctricas donde se produce electricidad a partir del carbón, petróleo y otros combustibles. También puede generarse a partir de la Energía Eólica, Solar y Biomásica entre otras. En la mayor parte de los servicios de nuestros días dependen de un suministro fiable de energía eléctrica. A medida que más países se industrializan se consumen cantidades de energía cada vez mayores. El consumo mundial de energía se ha multiplicado por 25 desde el siglo pasado. El promedio del consumo de electricidad per cápita es alrededor de diez veces mayor en los países industrializados que en el mundo en desarrollo. Pero como en la actualidad las economías de muchas naciones en desarrollo se expanden rápidamente, para los próximos 15 años se prevé un crecimiento de más del 5% anual de la demanda de electricidad en el “Sur''. Para satisfacer esta demanda se necesitará un aumento espectacular de la producción de electricidad.

La energía química: Permite la fotosíntesis de las plantas. Genera que al comer uno se pueda mover. Hace que se muevan los vehículos. Figura 12

Energía Solar La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol, figura 9. El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace

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unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia. La energía solar se consigue con paneles o células solares. Recogiendo de forma adecuada la radiación solar (figura 10), podemos obtener calor y electricidad. El calor se logra mediante los captadores o colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación. El calor recogido en ellos puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a nuestros hogares, podemos climatizar las piscinas y permitir el baño durante gran parte del año. También las aplicaciones agrícolas son muy amplias para usar los invernaderos solares

Figura 13

Energía Caloríca Es la energía que se transfiere en forma de calor. El calor se transmite entre cuerpos que se

La electricidad que se obtiene de los módulos fotovoltaicos puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. También es posible inyectar la electricidad generada en la red general, obteniendo un importante beneficio.

Energía Nuclear La energía nuclear es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos (figura 11), siendo la más conocida la fisión del uranio con la que funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la naturaleza, en el interior de las estrellas.

Figura 14

Figura 15

¿Como se consigue? Los dos sistemas más investigados y trabajados para la obtención de energía nuclear aprovechable de forma masiva son la fisión nuclear (figura 12) y la fusión nuclear (figura 13). Otra técnica es la utilización de generadores termoeléctricos de radioisótopos. 10

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encuentran a distinta temperatura y que se ponen en contacto (figura 14). Se dice que se alcanza el equilibrio térmico cuando la temperatura de ambos se iguala. Su unidad de medida es la caloría.

Figura 16

En Síntesis: La energía puede tener seis formas diferentes (eléctrica, mecánica, química, nuclear, solar y calorífica) y cada una de ellas puede transformarse en cualquiera de las otras como lo muestra el siguiente esquema. Estas energías pueden generar otras como por ejemplo La energía eólica que su fuente la energía mecánica que, en forma de energía cinética transporta el aire en movimiento (el viento). Este es originado por el desigual calentamiento de la superficie de nuestro planeta (energía calorífica). La Tierra recibe una gran cantidad de energía procedente del Sol (energía solar).

Ejemplos de Generación de Energía

Energía Eólica: La energía Eólica es aquella que podemos obtener de la fuerza del viento (energía cinética, solar y calórica). El mayor interés que existe actualmente es la producción de electricidad a partir del viento con el fin de sustituir los costosos combustibles fósiles. Existen diversos aparatos con diseños y tamaños adecuados para las diferentes necesidades (figura 15).

Para conseguir esta energía se usa el Generador eólico que esta constituido por un aeromotor de dos o tres palas, provisto de un sistema de regulación, que confiera al rotor una velocidad de rotación estable a partir de cierta velocidad del viento, y un sistema de seguridad destinado a frenar la máquina en caso de tempestad, si el sistema de regulación es inoperante a altas velocidades. También se puede tener un generador eléctrico que puede estar directamente acoplado al aeromotor (figura 16). En el caso más sencillo las palas van directamente montadas en el eje del generador. Cuando el generador está acoplado a un multiplicador, colocado entre el aeromotor y el generador. Se verá que la velocidad de rotación depende del

A continuación veremos ejemplos de cómo son las energías que son generadas por otras energías.

Figura 18

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diámetro del rotor y disminuye cuando el diámetro aumenta. Entonces para tener un buen rendimiento, es necesario aumentar las revoluciones del aeromotor antes de acoplarlo al generador.

Energía Geotérmica: La energía geotérmica es aquella energía que puede ser obtenida por el hombre mediante el aprovechamiento del calor (energía calorífica) del interior de la Tierra, figura 19.

También se requiere un mecanismo de giro, que permita a la máquina estar siempre orientada en la dirección del viento, cualquiera que sea esta. La energía producida en la parte móvil, se transmite por medio de un dispositivo colector asociado al mecanismo de rotación. Las mejores condiciones para la utilización de energía eólica son:

Se obtiene energía geotérmica por extracción del calor interno de la Tierra. En áreas de aguas termales muy calientes a poca profundidad, se perfora por fracturas naturales de las rocas básales o dentro de rocas sedimentarios. El agua caliente o el vapor pueden fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos de flujos de agua y de vapor. El método a elegir depende del que en cada caso sea económicamente rentable

Terrenos llanos, particulares en regiones costeras. Donde existen cumbres planas o colinas solitarias sin laderas escarpadas. Valles planos y extensos, expuestos en la dirección del viento predominante. Energía Hidráulica: La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura (energía potencial). El agua pasa por las turbinas a gran velocidad (energía cinética), provocando un movimiento de rotación que finalmente, se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores, figura 17. Todas las centrales hidroeléctricas aprovechan la corriente de agua que cae por un desnivel. Se utilizan desniveles naturales del terreno, o bien se hace que el agua caiga desde una presa o dique (figura 18). Las centrales hidroeléctricas se dividen a grandes rasgos en centrales de baja, mediana y alta presión. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con resFigura 19 pecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis y Kaplan se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales. 12

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Las ventajas de la energía geotérmica son las siguientes: Es una fuente que evitaría la dependencia energética del exterior. Los residuos que produce son mínimos y ocasionan menor impacto ambiental que los originados por el petróleo, carbón... Es un sistema de gran ahorro, tanto económico como energético. Ausencia de ruidos exteriores. Los recursos geotérmicos son mayores que los recursos de carbón, petróleo, gas natural y uranio combinados. No está sujeta a precios internacionales, sino que siempre puede mantenerse a precios nacionales o locales. El área de terreno requerido por las plantas geotérmicas por megavatio es menor que otro tipo de plantas. No requiere construcción de represas, tala de bosques, ni construcción de tanques de almacenamiento de combustibles.

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Proyectos de Iluminación con LED

Aunque la teoría de funcionamiento de los diodos emisores de luz (LED) data de la década del 50 del siglo pasado, recién en 1963 aparecen los primeros ejemplares comerciales, a precios muy altos y con rendimiento luminoso extremadamente bajo. En la actualidad los LEDs se producen de a millones, con diferentes materiales, a precios muy bajos y con rendimientos excelentes. Los tipos básicos o comunes como el rojo, el ámbar, el verde y el infrarrojo cuestan casi lo mismo que un condensador, lo que ha dado paso a la fabricación masiva de los diodos LEDs especiales como los bicolores, los de alto brillo, los “Flushing LEDs” (que en su encapsulado poseen un circuito integrado), los LEDs azules y los de luz blanca. Estos diodos especiales son un poco más caros que los comunes pero su precio está altamente justificado. La idea de utilizar energía renovables y “cuidar” el medio ambiente con el empleo de dispositivos de alto rendimiento ha favorecido la investigación y el desarrollo de los LEDs de luz azul y de luz blanca e, incluso, los diodos intermitentes de 2 a 3Hz que no requieren de un circuito externo para producir el destello intermitente. Entre los últimos desarrollos que comienzan a popularizarse en el mercado podemos mencionar los LEDs de luz ultravioleta que persiguen producir el mismo efecto que los tubos BLB de luz ultravioleta con la sorprendente ventaja que se pueden alimentar con pilas comunes de pequeño tamaño y el montaje se puede realizar en bases o zócalos comunes, como los que se emplean para cualquier LED. Estos LEDs pueden reemplazar directamente a los tubos de BLB. Todos los tipos de LEDs para alumbrado, con base o zócalo, llevan su resistencia incorporada. En general, para iluminación se emplean los LEDs de luz blanca, de alto poder o rendimiento luminoso que permiten la colocación en la misma base de conexión de un racimo (cluster) de LEDs para obtener mayor iluminación. El alumbrado con LEDs representa una interesante novedad por su característica de alto rendimiento, bajo consumo, casi nula generación de calor, su gran robustez (no explota ni se daña con golpes como ocurre con una lámpara incandescente o CCLF de bajo consumo) y su larga duración que puede superar sin problemas las 100.000 horas, o sea, más de 11 años de trabajo ininterrumpido. El LED como elemento de iluminación es, cada vez, mas tenido en cuenta, no sólo por todas las ventajas mencionadas sino también porque su instalación es pequeña y no emiten ningún tipo de disturbio o interfencia (especialmente sónica, como ocurre con los balastros).

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Introducción El LED (Light-Emitting Diode: Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN en la cual circula por él una corriente eléctrica . Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el LED es un tipo especial de diodo que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz . Este dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo.

del LED en caso que haya picos inesperados que puedan dañarlo. Se coloca en paralelo y en sentido opuesto un diodo de silicio común. En general, los LED suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos). La figura 1 muestra el símbolo del LED. La figura 2 reproduce las partes constituyentes de un LED Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros. Si bien más adelante vamos a detallar los compuestos específicos de los Leds, digamos que los LED rojos están formados por GaP consiste en una unión P-N obtenida por el método de crecimiento epitaxial del Figura 1 cristal en su fase líquida, en un substrato.

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED y evitar que este se pueda dañar; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 volt aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él La fuente varía según su aplicación. Los Valores típicos de l u m i n o s a corriente directa de polarización de un LED están está formada comprendidos entre los 10 y 20 miliampere (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliampere (mA) para los otros LED. Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, Figura 2 como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. Para la protección 14

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densidades de corriente. Este tipo de LED funciona con baja densidades de corriente ofreciendo una buena luminosidad, utilizándose como dispositivo de visualización en equipos portátiles. El constituido por GaAsP consiste en una capa p obtenida por difusión de Zn durante el crecimiento de un cristal N de GaAsP, formado en un substrato de GaAs, por el método de crecimiento epitaxial en fase gaseosa. Actualmente emplea los LED GaAlAs debido a mayor luminosidad. máximo de radiación halla en la longitud onda 660 nm.

por una capa de cristal P junto con un complejo de ZnO, cuya máxima concentración está limitada, por lo que su luminosidad se satura a altas

se de su El se de

Los LED anaranjados y amarillos están compuestos por GaAsP al Tabla 1 igual que sus hermanos los rojos, pero en este caso para conseguir luz anaranjada y amarilla así como luz de longitud de onda más pequeña, lo que hacemos es ampliar el ancho de la "banda prohibida" mediante el aumento de fósforo en el semiconductor. Su fabricación es la misma que se utiliza para los diodos rojos, por crecimiento epitaxial del cristal en fase gaseosa, la formación de la unión p-n se realiza por difusión de Zn. Como novedad importante en estos LED se mezcla el área emisora con una trampa isoelectrónica de nitrógeno con el fin de mejorar el rendimiento.

Figura 3

El LED verde está compuesto por GaP. Se utiliza el método de crecimiento epitaxial del cristal en fase líquida para formar la unión P-N. Al igual que los LED amarillos, también se utili-

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za una trampa isoelectrónica de nitrógeno para mejorar el rendimiento. Debido a que este tipo de LED posee una baja probabilidad de transición fotónica, es importante mejorar la cristalinidad de la capa N. La disminución de impurezas a larga la vida de los portadores, mejorando la cristalinidad. Su máxima emisión se consigue en la longitud de onda 555 nm. Vea en la tabla 1 los Compuestos empleados en la construcción de LED.

Funcionamiento Físico del LED

El funcionamiento físico consiste en que, en los materiales semiconductores, un electrón al pasar de la banda de conducción a la de valencia, pierde energía; esta energía perdida se puede manifestar en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. El que esa energía se manifieste en (calor por ejemplo) va a depender principalmente del tipo de material semiconductor. Cuando al polarizar directamente un diodo LED conseguimos que por la unión PN sean inyectados huecos en el material tipo N y electrones en el material tipo P; O sea los huecos de la zona p se mueven hacia la zona n y los electrones de la zona n hacia la zona p, produciéndose por consiguiente, una inyección de portadores minoritarios. Ambos desplazamientos de cargas constituyen la corriente que circula por el diodo. Si los electrones y huecos están en la misma región, pueden recombinarse, es decir, los electrones pueFigura 5 den pasar a "ocupar" los huecos, "cayendo" desde un nivel energético superior a otro inferior más estable.

sor de luz con la unión polarizada en sentido directo. Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de recombinación que se producen. La energía contenida en un fotón de luz es proporcional a su frecuencia, es decir, su color. Cuanto mayor sea el salto de banda de energía del material semiconductor que forma el LED, más elevada será la frecuencia de la luz emitida. La figura 4 reproduce un diodo emisor de luz con la unión polarizada en sentido directa.

Aplicaciones de los LED

En la figura 5 podemos ver varios tipos de diodos Led. Los diodos infrarrojos (IRED) se emplean desde mediados del siglo Figura 4 XX en mandos a distancia de televisores, habiéndose generalizado su uso

La figura 3 muestra la disposición de portadores de un diodo emi16

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en otros electrodomésticos como equipos de aire acondicionado, equipos de música, etc. y en general para aplicaciones de control remoto, así como en dispositivos detectores. Los LED se emplean con profusión en todo tipo de indicadores de estado (encendido/apagado) en dispositivos de señalización (de tránsito, de emergencia, etc.) y en paneles informativos. También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, etc., así como en bicicletas y usos similares. Existen además impresoras LED. También se usan los LED en el ámbito de la iluminación (incluyendo la señalización de tráfico) es moderado y es previsible que se incremente en el futuro, ya que sus prestaciones son superiores a las de la lámpara incandescente y la lámpara fluorescente, desde diversos puntos de vista. La iluminación con LED presenta indudables beneficios. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento y desplegar contadores:

- Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua. - Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. - En dispositivos de alarma.

Ventajas de los LED Fiabilidad, mayor eficiencia energética, mayor resistencia a las vibraciones, mejor visión ante diversas circunstancias de iluminación, menor disipación de energía, menor riesgo para el medio ambiente, capacidad para operar de forma intermitente de modo continuo, respuesta rápida, etc. Así mismo, con LED se pueden producir luces de diferentes colores con un rendimiento luminoso elevado, a diferencia de muchas de las lámparas utilizadas hasta ahora, que tienen filtros

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para lograr un efecto similar (lo que supone una reducción de su eficiencia energética). Todo ello pone de manifiesto las numerosas ventajas que los LED ofrecen. También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a través de fibra óptica.

Desventajas de los LED Las desventajas del diodo LED son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusores de luz.

Conexión de los LED Para conectar LED de modo que iluminen de forma continua, deben estar polarizados directamente, es decir, con el polo positivo de la fuente de alimentación conectada al ánodo y el polo negativo conectado al cátodo. Además, la fuente de alimentación debe suministrarle una tensión o diferencia de potencial superior a su tensión umbral. Por otro lado, se debe garantizar que la corriente que circula por ellos no exceda los límites admisibles (esto se puede hacer de forma sencilla con una resistencia R en serie con los LED). Unos circuitos sencillos que muestran cómo polarizar directamente un LED son los que se muestran en la figura 6.

La Física del LED

Como dijimos, los diodos emisores de luz visible son utilizados en grandes cantidades como indicadores piloto, dispositivos de presentación numérica y dispositivos de presentación de barras, tanto para aplicaciones domésticas como

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Figura 6

para equipos industriales, esto es debido a sus grandes ventajas que son: peso y espacio insignificantes, precio moderado, y en cierta medida una pequeña inercia, que permite visualizar no solamente dos estados lógicos sino también fenómenos cuyas características varían progresivamente. Como otros dispositivos de presentación, los Leds pueden proporcionar luz en color rojo, verde y azul. El material de un Led está compuesto principalmente por una combinación semiconductora. El GaP se utiliza en los Leds emisores de luz roja o verde; el GaAsP para los emisores de luz roja, anaranjada o amarilla y el GaAlAs para los 18

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Leds de luz roja. Para los emisores azules se han estado usando materiales como SiC, GaN, ZnSe y ZnS. El fenómeno de emisión de luz está basado en la teoría de bandas, por la cual, una tensión externa aplicada a una unión P-N polarizada directamente, excita los electrones, de manera que son capaces de atravesar la banda de energía que separa las dos regiones. Si la energía es suficiente los electrones escapan del material en forma de fotones. Cada material semiconductor tiene determinadas características y por tanto una longitud de

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átomos vecinos. De hecho, dichas órbitas se solapan entre sí, dando lugar a la aparición de unas zonas o bandas continuas en las que se pueden encontrar los electrones, y que reciben el nombre de bandas de energía. Tabla 2

onda de la luz emitida. La tabla 2 muestra las longitudes de onda de algunos compuestos de Galio. A diferencia de la lámparas de incandescencia cuyo funcionamiento es por una determinada tensión, los Led funcionan por la corriente que los atraviesa. Su conexión a una fuente de tensión constante debe estar protegida por una resistencia limitadora, veremos más adelante algunos ejemplos.

Para entender el comportamiento de los materiales en relación con su capacidad de conducir, nos interesan las dos últimas bandas, que son:

La Banda de Valencia: Está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducción eléctrica.

La Banda de Conducción: Teoría de Bandas En un átomo aislado los electrones pueden ocupar determinados niveles energéticos pero cuando los átomos se unen para formar un cristal, las interacciones entre ellos modifican su energía, de tal manera que cada nivel inicial se desdobla en numerosos niveles, que constituyen una banda, existiendo entre ellas huecos, llamados bandas energéticas prohibidas, que sólo pueden salvar los electrones en caso de que se les comunique la energía suficiente. La teoría de bandas constituye una explicación alternativa del comportamiento de los materiales semiconductores. Se basa en el hecho de que los electrones de un átomo aislado se distribuyen según ciertos niveles energéticos, denominados órbitas u orbitales, en torno al núcleo. Cuando los átomos se unen unos con otros para formar un sólido, se agrupan de manera ordenada formando una red cristalina. En este caso, debido a la proximidad de los átomos entre sí, las órbitas en las que se encuentran los electrones de cada átomo se ven afectadas por la presencia de los

Está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica. En consecuencia, para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica debe tener electrones en la banda de conducción. Cuando la banda esté vacía, el material se comportará como un aislante. Entre la banda de valencia y la de conducción existe una zona denominada banda prohibida o gap (GAP), que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones. La conducción de la corriente eléctrica según la teoría de bandas La estructura de bandas de un material permite explicar su capacidad para conducir o no la corriente eléctrica. Según esto podemos distinguir tres casos, representados en la figura 7. En los materiales conductores, las bandas se encuentran muy próximas y la banda de conducción está ocupada por electrones libres, desliga-

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Figura 7

dos de sus átomos, que pueden moverse fácilmente y pasar de unos átomos a otros. Este tipo de estructura de bandas corresponde a materiales que pueden conducir la corriente eléctrica. Sin embargo, en los materiales aislantes la banda de conducción se encuentra vacía, pues no hay electrones libres, de modo que no pueden conducir la corriente eléctrica. La banda que está ocupada en este caso es la banda de valencia, pero estos electrones no pueden moverse libremente. Los materiales semiconductores tienen una estructura de bandas semejante a la de los aislantes, es decir, la banda de conducción está vacía (y, en consecuencia, no conducen la corriente eléctrica). Sin embargo, en este caso la banda prohibida es muy estrecha, de forma que la banda de valencia se encuentra muy próxima a la de conducción. Esta situación permite que, si se comunica una pequeña cantidad de energía al material, algunos electrones de la banda de valencia puedan «saltar» a la de conducción, lo que quiere decir que se desligan de sus átomos y se hacen libres. Al tener ocupada la banda de conducción, el material se comportará como conductor. Entonces, repitiendo, en los aislantes la banda inferior menos energética (banda de valencia) está completa con los e- más internos de los átomos, pero la superior (banda de conducción) está vacía y separada por una banda prohibida muy ancha (~ 10 eV; aproximadamente 10 electrón volt), imposible de atravesar por un electrón (e-). En el caso de los conductores las 20

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bandas de conducción y de valencia se encuentran superpuestas, por lo que cualquier aporte de energía es suficiente para producir un desplazamiento de los electrones. Entre ambos casos se encuentran los semiconductores, cuya estructura de bandas es muy semejante a los aislantes, pero con la diferencia de que la anchura de la banda prohibida es bastante pequeña. Los semiconductores son, por lo tanto, aislantes en condiciones normales, pero una elevación de temperatura proporciona la suficiente energía a los electrones para que, saltando la banda prohibida, pasen a la de conducción, dejando en la banda de valencia el hueco correspondiente. En el caso de los diodos Led los electrones consiguen saltar fuera de la estructura en forma de radiación que percibimos como luz (fotones).

Composición de los Leds Vamos a retomar la explicación de los compuestos de los diferentes LED a efectos de poder realizar una introducción matemática

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Figura 8

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Figura 9

Led rojo Formado por GaP consiste en una unión p-n obtenida por el método de crecimiento epitaxial del cristal en su fase líquida, en un substrato. La fuente luminosa está formada por una capa de cristal p junto con un complejo de ZnO, cuya máxima concentración está limitada, por lo que su luminosidad se satura a altas densidades de corriente. Este tipo de Led funciona con baja densidades de corriente ofreciendo una buena luminosidad, utilizándose como dispositivo de visualización en equipos portátiles. El constituido por GaAsP consiste en una capa p obtenida por difusión de Zn durante el crecimiento de un cristal n de GaAsP, formado en un substrato de GaAs, por el método de crecimiento epitaxial en fase gaseosa. Actualmente se emplea los Led de GaAlAs debido a su mayor luminosidad. El máximo de radiación se halla en la longitud de onda 660 nm. La composición la puede ver en la figura 8. Para una mayor comprensión sobre la respuesta de cada dispositivo, es decir, la longitud de onda de la señal que emite, puede consultar la figura 9.

Led anaranjado y amarillo Los Led que emiten luz amarilla están compuestos por GaAsP al igual que sus hermanos los

rojos pero en este caso para conseguir luz anaranjada y amarilla así como luz de longitud de onda más pequeña, lo que hacemos es ampliar el ancho de la “banda prohibida” mediante el aumento de fósforo en el semiconductor. Su fabricación es la misma que se utiliza para los diodos rojos, por crecimiento epitaxial del cristal en fase gaseosa, la formación de la unión P-N se realiza por difusión de Zn. Como novedad importante en estos Leds se mezcla el área emisora con una trampa isoelectrónica de nitrógeno con el fin de mejorar el rendimiento. Led Verde El Led verde está compuesto por GaP. Se utiliza el método de crecimiento epitaxial del cristal en fase líquida para formar la unión P-N. Al igual que los Leds amarillos, también se utiliza una trampa isoelectrónica de nitrógeno para mejorar el rendimiento. Debido a que este tipo de Led posee una baja probabilidad de transición fotónica, es importante mejorar la cristalinidad de la capa N. La disminución de impurezas a larga la vida de los portadores, mejorando la cristalinidad. Su máxima emisión se consigue en la longitud de onda 555 nm.

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Criterios de Elección de un LED para un Proyecto Dimensiones y Color del Diodo Los Leds tienen diferentes tamaños, formas y colores. Tenemos Leds redondos, cuadrados, rectangulares, triangulares y con diversas formas. Los colores básicos son rojo, verde y azul, aunque podemos encontrarlos naranjas, amarillos incluso hay un Led de luz blanca. Las dimensiones en los Led redondos son 3mm, 5mm, 10mm y uno gigante de 20mm. Los de formas poliédricas suelen tener unas dimensiones aproximadas de 5x5mm.

Figura 10

mos observar el consumo para los dispositivos más comunes.

Estructura de un Led

Ángulo de vista Esta característica es importante, pues de ella depende el modo de observación del Led, es decir, el empleo práctico de aparato realizado. Cuando el Led es puntual la emisión de luz sigue la ley de Lambert, permite tener un ángulo de vista relativamente grande y el punto luminoso se ve bajo todos los ángulos, tal como se ejemplifica en la figura 10. Luminosidad La intensidad luminosa en el eje y el brillo están intensamente relacionados. Tanto si el Led es puntual o difusor, el brillo es proporcional a la superficie de emisión. Si el Led es puntual, el punto será más brillante, al ser una superficie demasiado pequeña. En uno difusor la intensidad en el eje es superior al modelo puntual.

Ya hemos visto que los Led están formados por el material semiconductor que está envuelto en un plástico traslúcido o transparente según los modelos. En la figura 11 podemos observar la distribución interna. El electrodo interno de menor tamaño es el ánodo y el de mayor tamaño es el cátodo. Los primeros Leds se diseñaron para permitir el paso de la máxima cantidad de luz en dirección perpendicular a la superficie de montaje, más tarde se diseñaron para difundir la luz sobre un área más amplia gracias al aumento de la producción de luz por los Leds. Cuando la corriente aplicada al diodo es sufi-

Consumo El consumo depende mucho del tipo de Led que elijamos, en la tabla 3 pode22

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Figura 12

V - Vled R = –––––––––––

Figura 11

ciente para que entre en conducción, emitirá una cierta cantidad de luz que dependerá de la cantidad de corriente y la temperatura del Led. La luminosidad aumentará según aumentemos la intensidad pero habrá que tener en cuenta la máxima intensidad que soporta el Led. Antes de insertar un diodo en un montaje tendremos que saber cuál es el color del diodo para saber qué caída de tensión tendrá entre sus contactos y cuál es la corriente que podrá circular, a los fines de poder realizar cálculos posteriores. En la tabla 4 puede tomar los parámetros eléctricos necesarios, en función del diodo seleccionado.

Circuito Básico en Continua

La resistencia de limitación del circuito de la figura 12 la puede calcularse a partir de la fórmula:

I

Si expresamos V en voltios e I en miliamperios el valor de la resistencia vendrá directamente expresado en kiloohm. También hay que tener en cuenta el calor disipado por en la resistencia, se calcula por la Ley de Joule. Potencia = I2 R

Donde I es la intensidad que atravesará al diodo y R la resistencia calculada en el apartado anterior.

Asociación de Leds Serie Los diodos se pueden conectar en serie siem-

Tabla 4

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pre que la suma de las caídas de tensión sea menor que la tensión de alimentación. La fórmula a utilizar para el cálculo de la resistencia limitadora es: V - (N . Vled) R = –––––––––––––– I Donde N es el número de Leds conectados en serie. Para comprender esta disposición, vea la figura 13.

que resultado queda P = 0.055W, es d e c i r , 55mW; por tanto, basta con utilizar una resistencia de 1/4 de watt (250mW) de 2k2 en serie con el diodo Led.

Figura 13

Paralelo Para conectar varios Leds en paralelo solo tendremos que calcular el valor para un Leds y luego los ponemos como se muestra en la figura 14. En este caso habrá que tener cuidado con la intensidad de la fuente de alimentación que deberá ser superior a la suma de todos los Leds.

Ejemplo: Supongamos que la tensión de alimentación es de 12 volt y vamos a utilizar un diodo Led de color rojo por el que circulará una corriente de 5mA. La resistencia limitadora será: 12V - 1,3V R = ––––––––––––––––– = 2,14kΩ 0,005A

Comportamiento con Corriente Alterna

Si queremos conectar un Led a un circuito en alterna tendremos que tener en cuenta que en la corriente alterna existen tensiones positivas y negativas que se van alternado en una duración que será la mitad de la frecuencia, este punto es importante debido a que los diodo tienen una tensión de funcionamiento en polarización directa y otra en la inversa y podremos sobrepasarla para no destruir la unión semiconductora. Para ello tenemos dos opciones:

1ª Solución: Consiste en colocar un diodo en oposición al Figura 14

Utilizaremos un resistencia normalizada (ver lista normalizada) de valor 2k2, con esta resistencia la intensidad real que circulará es de 4,86mA. Valor lo más próximo al teórico. El cálculo de la potencia lo vamos a realizar con la Ley de Joule con lo 24

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Figura 15

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La potencia será de: P1 = VR1 x Il1 = P1 = (220V -1,2V) x 10mA » 3W

Led, de forma que cuando no conduzca el Led conduzca el diodo, y a la inversa, lo que supone una caída de tensión de 0,7 volt en el diodo, no superando los 3 volt de ruptura del Led. Con esto evitamos la destrucción cuando está polarizado inversamente, pero tendremos que limitar la tensión y eso lo podremos conseguir con una resistencia en serie que calcularemos con la fórmula que utilizamos cuando describimos el circuito básico en continua. La potencia podremos calcularla con la Ley de Joule, utilizando el circuito de la figura 15. Vamos a calcular un pequeño ejemplo práctico: Sea un diodo Led con una caída de tensión de 1,2 volt y un intensidad máxima de 20mA, que se desea conectar a una tensión alterna de 220 volt.

Un inconveniente de esta solución es que la resistencia será muy voluminosa al tener una potencia considerable.

2ª Solución: Para evitar poner un resistencia de 3W podremos colocar un condensador que se comportará como un resistencia al estar frente a una tensión alterna. Al igual que en el circuito anterior tendremos que limitar la intensidad del circuito, como ejemplo vamos a utilizar los datos anteriores y el circuito de la figura 16. En este caso Rs nos sirve para limitar la intensidad cuando el condensador está descargado ya que se produciría un pico considerable que no soportaría el Led, como valor máximo de pico que puede soportar el Led tenemos: Ipico = 220V / 1kΩ = 220mA.

220V - Vdl1 R = ––––––––––––––––– Idl1

Por tanto el valor de la resistencia será: 220V Rs = ––––––––––––– = 1kΩ

220V - 1,2V

220mA

R = –––––––––––––––––– = 22kΩ 10mA

VRs = 1kΩ x 10mA = 10V Figura 16

Rs = 1kΩ, 1/4W

Para calcular el valor del condensador se tendrá en cuenta que la tensión en el condensador está desfasada 90º con respecto a la

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tensión en la resistencia y en el diodo así que aplicando cálculos tendremos que:

Circuitos de Iluminación con LED

VC = [( 220V)2 - (VR + VLED)2 ]1/2 = VC = [( 220V)2 - (11,2V)2 ]1/2 = VC = 219,7V

Siendo la intensidad del condensador Ic = 10mA. La resistencia capacitiva será, tomando un valor normalizado: Xc = 22kΩ

La alimentación de un LED, de modo que por él circule una corriente, produce en él una consecuente disipación de potencia, y por ello una elevación de su temperatura. En la elaboración de proyectos pueden emplearse desde circuitos simples de alimentación (cuando la potencia disipada es reducida) hasta fuentes de alimentación conmutadas y de potencia, cuando la disipación es grande. Por ello, al tener que diseñar circuitos de iluminación con LED tenemos que tener en cuenta diversos aspectos que trataremos a continuación.

219,7V Xc = ––––––––––– = 10mA La capacidad del condensador será: 1 C = ––––––––––––––––– = 2 x p x f x Xc 1

Displays de Múltiples LEDs de Baja Intensidad El circuito básico de alimentación de un LED se compone de una fuente de alimentación, una resistencia limitadora de corriente, y el LED, tal como se muestra en la figura 17. VBAT = VLED + ILED.R

C = ––––––––––––––––––––– = 150nF 100 x p x 22 x 103

Donde VLED es una función de ILED (curva de transferencia del LED).

Podemos ver que con esta solución reducimos el valor de la resistencia sustituyéndola por un condensador de 150nF que tenga una tensión de trabajo de 400V al ser los 220 eficaces. Como ventajas tenemos que no es tan voluminoso y al haber sustituido la resistencia de 3W no tendremos una disipación de calor tan grande. Figura 17 26

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Un modelo más cercano a la realidad de la curva exponencial de respuesta de un LED puede lograrse con un diodo ideal (con caída en directa nula), una resistencia interna RLED, y un voltaje umbral VTH (que depende del color del LED), tal como podemos ver en la figura 18. La tensión en un diodo infrarrojo, la tensión VTH puede ser algo más que 1V, y en uno azul cerca de cuatro volt; en cuanto a RLED, un valor típico en diodos de baja potencia, es de cerca de 10 ohm.

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pueden encontrarse displays de 14 segmentos o matrices (el caso más común es el de matrices de 35 LED organizados como 7 filas de 5 LED).

Figura 18

Cuando se desea excitar más de un LED, la solución consiste en replicar el circuito previo tantas veces como LEDs haya que excitar. En la figura 19, si la salida A va a una tensión positiva, mayor a VTH, el diodo D1 se enciende. Si el voltaje es menor a VTH no circula corriente y el LED D1 no emite luz. Un caso típico de LED múltiple es el de un display numérico de 7 segmentos + punto, donde 8 LEDs se montan en un solo encapsulado, de modo de representar los números 0 a 9, el punto decimal, y otras combinaciones especiales. Los displays de 7 segmentos se caracterizan por unir todos los cátodos (como en la figura 20, donde se dice que es un display de cátodo común), o todos los ánodos (ánodo común). Estos displays también se caracterizan por el color de los LEDs empleados, y por su tamaño. Para representar números y letras también

Figura 19

El uso de una línea de control y una resistencia por cada LED lleva a circuitos innecesariamente complejos, por lo que es usual emplear técnicas más elaboradas pero que producen soluciones más económicas. Por ejemplo, tomando como ejemplo el circuito de la figura 21, si Figura 20 en el caso previo del circuito con dos LED se sabe que sólo uno va a estar encendido por vez. En este caso, si la salida A está a VBAT (tensión de alimentación o tensión de batería) y B está a 0V (GND), sólo se encenderá el LED D1. Aquí debemos hacer una consideración importante en relación al LED D2. Como el ánodo de D1 está al voltaje VBAT, su cátodo estará al voltaje (VBAT-VTH), al igual que el cátodo de D2. Pero como el ánodo de D2 está a GND, resulta que D2 queda polarizado en inversa. Es importante tener cuidado en que la tensión -(VBAT-VTH) no supere la tensión de ruptura en inversa del LED, debido a que casi todos los LED suelen tener una tensión de ruptura inversa reducida (nótese que si la salida B se dejada abierta o en alta impedancia, este problema desaparece).

Circuitos de Múltiples LEDs

Figura 21

Cuando se desea excitar muchos LEDs de baja potencia lo usual es el empleo de circuitos de

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multiplexado. En este caso cada LED se enciende o no por la aplicación de pulsos de tensión, con una frecuencia de repetición dada y una relación de trabajo. En este caso debemos tener en cuenta lo siguiente: La frecuencia de repetición aprovecha el efecto de “persistencia de una imagen en la retina”, es decir, por más que una imagen se muestre en forma pulsada, parece como permanente si la frecuencia de repetición es mayor a 25Hz (junto a la capacidad de procesar imágenes del cerebro, este efecto produce la aparente sensación de movimiento del cine o la televisión). La frecuencia de repetición más recomendable depende de la aplicación, también si el display y el observador están quietos o se mueven, pero en general suele ser desde 50Hz a unos pocos cientos de Hertz; para frecuencia mucho mayores la respuesta del ojo decae y las pérdidas eléctricas por conmutación del circuito de multiplexado aumentan.

El período de repetición puede usarse para actuar sucesivamente sobre distintos LEDs, y en ese caso cada LED sólo dispone de una fracción del tiempo total. Esta relación de trabajo (tiempo disponible para prender o no el LED dentro del período de repetición) permite simplificar los circuitos pero a su vez plantea exigencias de sobre-excitación del LED en ese tiempo, de modo de mantener un brillo adecuado. A su vez, controlando el ciclo de actividad o relación de trabajo podemos controlar el brillo del LED.

El circuito de la figura 22 permite controlar cuatro LEDs usando dos resistencias y cuatro puertas de control. Si la salida A está a VBAT (tensión de alimentación) y la salida B está a 0V (GND), poniendo a GND las salidas C y D hará que se enciendan los LEDs D1 y D3. Si es la salida B la que está a VBAT, mediante las salidas C y D se controla a los LEDs D2 y D4. En este caso, cada LED sólo dispone de un 50% del tiem28

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Figura 22

po total para estar o no prendido, con lo que la intensidad media emitida es sólo la mitad, lo que debe ser compensado con mayor corriente de excitación. Un ejemplo habitual del uso de LEDs multiplexados se presenta en los displays numéricos. En el circuito de la figura 23, con ocho resistencias, tres líneas de selección de dígito y ocho líneas de selección de segmentos y punto decimal, es

Figura 23

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que la caída de tensión en un LED en directa es inferior a la tensión de ruptura inversa del otro LED; este caso puede ser riesgoso si en vez de sólo un LED se conecta en cada rama varios LEDs en serie. Tabla 5

posible representar un número de tres cifras (21 LEDs) empleando sólo once líneas de control. El circuito emplea pocos componentes, pero necesita mayor corriente de excitación de los LEDs (cuya relación de trabajo máxima pasa a ser de 33%) y una lógica que realice la tarea de multiplexado (ya sea una circuito dedicado o una rutina de software de un microcontrolador). Otra forma de multiplexar el control de LEDs es usando diodos en oposición. Este tipo de configuración es típico en LED bicolores y se muestra en la figura 24. Si la salida A está a VBAT y la salida B a GND se prende el LED D2; si la salida A está a GND y la salida B a VBAT se prende el LED D1. Y si ambas salidas están a idéntico potencial (no importa cuál) no se enciende ningún LED. En este circuito, mientras un LED está encendido el otro está polarizado en inversa, lo cual no suele generar problema ya Figura 24

Multiplexado Usando las Salidas en Modo Push-pull y en Tri-state

Las puertas de entrada/salida de los microcontroladores, en general, se pueden configurar como salida (en '0' o en '1') o como entrada (cuando son entradas presentan alta impedancia. En la figura 25 se muestra cómo, con sólo tres resistencias y usando tres líneas de entrada/salida A, B y C, es posible multiplexar seis diodos LED, lo que implica una relación de trabajo máxima de 1/6, es decir de cerca del 17%. Si, por ejemplo, la salida A está a VBAT, la salida B en alta impedancia y la salida C a GND, la corriente circula por R1, D5 y R3. Por R2 no puede circular corriente porque la salida B está en alta impedancia, los diodos D3, D4 y D6 están polarizados en inversa y, si bien D1 y D2 están polarizados en directa, la suma de sus tensiones de umbral duplica la del diodo D5, por lo que no se encienden. Dados los posibles caminos y sentidos de las corrientes, las resistencias R1, R2 y R3 deben ser de igual valor y ser calculadas para que regulen la corriente que circula por los LED, es decir, en cada resistencia la caída de tensión debe ser: ILED x R = (VBAT-VLED)/2

Figura 25

La tabla 5 muestra las distintas combinaciones de A, B y C y los LED que se encienden en cada caso. De las 27 combinaciones posibles (tres salidas con tres valores), hay sólo 6 de utilidad para excitar un LED por vez. Este tipo de multiplexado suele denominarse “charlieplexing”, haciendo referencia a Charlie Allen, un ingeniero que pro-

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puso su uso como técnica de multiplexado. Más allá de los problemas de corriente pulsante que aparecen cuando la relación de trabajo máxima disminuye, lo valioso de este método es el uso limitado de líneas de control. Como fórmula útil, con N líneas de control y usando N resistencias, esta técnica de multiplexado permite controlar [N . (N-1)] diodos LED. Por ejemplo, la figura 26 muestra cómo es posible manejar hasta 12 LED usando sólo 4 líneas de control [12 = 4 x (4-1)]. Si bien este circuito puede ser útil, su mayor limitación es que la relación de trabajo máxima de cada LED es de 1/12, es decir apenas un 8,3%. Manteniendo la eficiencia de uso de líneas de control, el problema de la disminución de la relación de trabajo del charlieplexing puede reducirse con el agregado de N transistores (PNP en este caso). La figura 27 muestra cómo es posible controlar 6 LEDs pudiendo prender de hasta dos por vez (con lo que la relación de trabajo máxima se duplica, de 1/6 a 1/3). Para entender la operación del circuito, tómese por ejemplo R1 y Q1, si la salida A está a VBAT y por ello entregando corriente, la caída de tensión en R1 polariza al transistor Q1 en inversa, con lo que permanece cortado, sin influir en el circuito. Si, en cambio, A está a GND (absorbiendo corriente), al circular corriente por R1 la juntura base-emisor de Q1 queda en directa, y una vez que la caída de tensión en R1 llega a cerca de 0,7V el transistor comienza a conducir, derivando la corriente a GND a través de su colector; por esta razón, el emisor de Q1 queda “enclavado” a 0,7V, independientemente de la corriente que circule. Si se desean encender dos LEDs a la vez (por ejemplo D1 y D4) las salidas A y C deben estar a VBAT y la salida B a GND. Con ello el emisor de Q2 queda en 0,7V, y las resistencias R1 y R3 definen la corriente que circula por D1 y D4, respectivamente. En este caso, para calcular el valor de R1, R2 o R3 se debe usar:

Figura 26

La tabla 6 muestra las combinaciones de A, B y C y los LED que se encienden. De los 27 casos posibles (tres salidas con tres valores), ahora hay 6 útiles para encender de a un LED y tres para prender de a dos LED por vez. Las ventajas de esta solución son mayores al aumentar la cantidad de LED: en forma general, usando N salidas de control la relación de trabajo máxima queda acotada a 1/N y pueden ser prendidos entre 1 y N-1 LED a la vez. En el ejemplo de la figura 26, con sólo agregar 4 transistores la relación de trabajo máxima crece de 8,3% a 25% disminuyendo en igual proporción las corrientes de pico por los LED y del circuito en general.

VBAT = VLED + ILED.R + 0,7V 30

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Figura 27

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PROYECTOS

DE ILUMINACIÓN CON

LEDS

SDI y CLK a una velocidad de hasta 30 Megabit por segundo, lo que es de importancia en display complejos, transferidos a la memoria paralela mediante la línea LE.

Tabla 6

Soluciones de Hardware Para excitar displays de pocos LED es posible usar las técnicas de multiplexado y las puertas de entrada/salida de los microcontroladores. Sin embargo, hay casos en que conviene el uso de circuitos especializados:

Cuando crece la cantidad de LED: es el caso de un cartel alfanumérico de muchos caracteres, por ejemplo; en este caso es necesario usar circuitos auxiliares, y existen dispositivos especializados con muchas funciones auxiliares. Cuando la potencia aumenta: en display de alta potencia es importante el uso eficiente de energía, para simplificar los problemas de sobrecalentamiento y disipación de energía.

Una línea adicional (OE) permite habilitar o no a las fuentes de corriente. Estos valores lógicos controlan 8 fuentes de corriente regulada, para excitar los LED con gran uniformidad, sin necesidad de una resistencia en serie con cada LED, y sin que esa corriente dependa de VBAT (que puede valer hasta 17V). El valor de corriente es ajustado entre 5mA y 120mA con una resistencia de programación Rext. Además del modo de operación normal, el TLC5916 posee un modo “especial” de operación (al que se ingresa combinando las líneas LE, OE y CLK) en el cual es posible:

Detectar si algún LED se encuentra abierto, y copiar al shift-register el estado de los LED. Ajustar en forma digital la corriente programada con Rext en 256 pasos, de 1/12 a 127/128, para ajustar con precisión de hasta 1% la dispersión entre dispositivos en display de muchos LED.

Cuando se usan LED azules o blancos: por su elevada caída de voltaje en directa. El Circuito Integrado TLC5920 El Circuito Integrado TLC5916/5917 El TLC5916 de Texas Instruments proporciona una solución simple para la excitación de hasta 8 LED con corrientes reguladas, la posibilidad de detectar LED fallados (abiertos) y sobrecalentamiento. El TLC5916/TLC5917 contiene un registro de desplazamiento de 8 bits y memorias adicionales, mediante los cuales convierten datos ingresados en forma serie a paralelo. Los datos pueden ser ingresados en forma serial mediante las líneas

En casos en que se desea excitar un display multiplexado, el TLC5920 proporciona 16 fuentes de corriente simultáneas de hasta 30mA y 8 manejadores del punto común, de hasta 480mA. Con un TLC5920 es posible controlar hasta 128 LED organizados como una matriz de 16 arreglos de 8 LED con cátodo común. El ingreso del estado SI/NO de cada fuente de corriente es realizado en forma serial, y luego los 16 bits pueden transferirse a la vez a otra etapa de registros. Es importante notar que este dispositivo NO posee memoria interna, sino que el control de multiplexado es realizado externamente.

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El Circuito Integrado TLC5940 Este integrado permite controlar 16 LED por dispositivo, con una gran gama de prestaciones programables de alta performance (la figura 14 muestra un ejemplo simple, donde dos TLC5940 son usados para controlar 32 LED). Sus características más destacables son:

Simplemente, con fines ilustrativos, en la figura 28 se muestra un secuenciador de potencia microcontrolado con PIC. En nuestra web encontrará una gran cantidad de proyectos.

Bibliografía Tiene una EEPROM interna para almacenar 6 bits por cada LED, para compensar las diferentes respuestas de los LED en 64 pasos. Puede controlar la relación de trabajo de cada LED desde un 100% hasta el 0% en 4096 pasos, de modo de poder generar gamas de brillo (“grayscaling”). Programables en forma serie sincrónica a una frecuencia de hasta desde 30MHz.

Alexander Ventura http://www.iearobotics.com/personal/ricardo/articulos/diodos_led/index.html Ricardo Gómez González aka EagleMan http://www.kalipedia.com/geografia-colombia/tema/teoria-bandas.html?x =20070822klpingtcn_123.Kes&ap=3

La corriente máxima por LED es de 120mA, con voltaje de entrada de 3.0V a 5.5V.

http://www.lamarihuana.com/foros/faqf22/conceptos-iluminacion-leds-knnat90701.html

La repetibilidad de comportamiento es de un 2,7% (típico) entre dispositivos, y de 1% entre distintos canales del mismo dispositivo.

http://www.elkonet.com/iweb/files_registracion/25czoyMjoiZXhjaXRhY2lvbitkZStsZWRzLn BkZiI7.pdf

De más está decir que lo dado en este manual es sólo una inrtroducción al tema. Por razones de espacio no podemos reproducir todo el material... hay mucho para describir y analizar, como por ejemplo el diodo láser, diodos de alto brillo, etc. Si Ud. desea ampliar sus conocimientos, puede descargar de nuestra web un curso básico de 6 lecciones sobre “Proyectos de Iluminación con LEDs”; para ello, debe dirigirse a www.webelectronica.com.ar, haga click en el ícono password e ingrese la clave: proyled.

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Eneregía Solar Fotovoltáica ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

Y

CELDAS SOLARES

Y CELDAS SOLARES

Tal como encontramos en las enciclopedias, la energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde. Si bien, al final de su vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable al día de hoy. La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es superior a los 500 watt por cada metro cuadrado de superficie sobre el nivel del suelo. A esta potencia se la conoce como irradiancia. Las celdas o células 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.

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Introducción

Es la energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares. Llega a la Tierra en forma de radiación a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La energía solar es generada por la llamada fusión nuclear que es la fuente de todas las estrellas del universo. La intensidad de la radiación solar en

el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 2 cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un período de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera. La intensidad de energía solar disponible en un

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punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor. El hombre puede transformar la energía solar en energía térmica o eléctrica (figura 1). En el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un fluido, como por ejemplo el agua. Y en el segundo caso la energía luminosa del Sol es transportada por sus fotones de luz, incide sobre la superficie de un material semiconductor, ejemplo: el silicio que forma las células fotovoltaicas, fabricadas para que mediante de éstas los colectores solares capten la energía y puedan almacenarla en los acumuladores, produciendo el movimiento de ciertos electrones que componen la estructura atómica de la materia. Un movimiento de electrones produce una corriente eléctrica que se utiliza como fuente de energía de componentes eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del principio de funcionamiento de las calculadoras solares. Estas centrales de energía solar están en todo el mundo. En latitudes de 60º, cada metro cuadrado de

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un colector solar recibe unos mil kilowatt / hora de energía solar en un año y puede usar aproximadamente la mitad de esa energía para calentar agua. En latitudes de 35º, un colector parecido recibe el doble.

Energía Fotovoltaica Los sistemas de energía fotovoltaica permiten la transformación de la luz solar en energía eléctrica, es decir, la conversión de una partícula luminosa con energía (fotón) en una energía electromotriz (voltaica). El elemento principal de un sistema de energía fotovoltaica es la célula fotoeléctrica, un dispositivo construido de silicio (extraído de la arena común). Los paneles solares están constituidos por cientos de estas celdas que, conectadas en forma adecuada, suministran tensiones suficientes para, por ejemplo, la recarga de unas baterías. Tienen utilidad en múltiples campos, desde el ámbito doméstico, hasta los satélites artificiales. Cuando la energía luminosa incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Si medimos el voltaje existente entre los dos extremos del material (positivo y negativo) observaremos que existe una diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 volt. Si le aplicamos una carga eléctrica, veremos que es posible obtener una corriente de 28 miliamper por cada centímetro cuadrado iluminado. Hemos convertido el dispositivo en una especie de batería eléctrica, que permanecerá aportando energía indefinidamente en tanto reciba iluminación.

Figura 2

Pero esta pequeña cantidad de energía es insuficiente e inútil, si no somos capaces de obtener mayores voltajes y corrientes que permitan

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aplicaciones prácticas. Para ello se diseñan en cada oblea cientos de diodos, los cuales, interconectados en serie y paralelo son capaces de suministrar tensiones de varios voltios, así como corrientes del orden de amperios. Este sistema básico de generación de energía por medio de la luz solar, puede obtener un rendimiento mayor si se disponen dispositivos de control adecuados. Posteriormente, la energía obtenida debe ser almacenada para que pueda ser utilizada por la noche, en que la ausencia de luz no permite su obtención directa. Los paneles solares pueden acoplarse en forma modular, ello permite que puedan pasar de un sistema doméstico de generación de energía, a otro más potente para industrias o instalaciones de gran consumo (figura 2).

Ventajas y Desventajas de la Energía Solar Fotovoltaica La energía fotovoltaica es limpia, inagotable, simple y silenciosa. Es la energía que mejor se adapta para integrarla en sitios urbanos. Su ubicación cercana a los sitios de consumo permite disminuir pérdidas de energía por transmisión. El desarrollo fotovoltaico genera empleos y ya es una industria sólida que está teniendo un crecimiento inmenso desde los años '90 en adelante en lugares como Estados Unidos, Europa y Japón. Los inconvenientes de este sistema de generación de energía, no es tanto el origen de esa energía, el Sol, que excede nuestras necesidades, ni tampoco la materia prima de donde se extrae el silicio, consistente en arena común muy abundante en nuestras playas; se trata de la técnica de construcción de las obleas, excesivamente compleja y cara. Un segundo motivo, es el rendimiento obtenido y el espacio de terreno ocupado por los elementos captadores. Como contrapunto a sus inconvenientes, es un sistema ideal para instalar en lugares remotos donde no sea posible tender cableados eléctricos o disponer de personal de mantenimiento, tales como teléfonos de emergencia en determinadas zonas (auto36

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pistas, alta montaña, etc.), faros marinos en costas poco accesibles, boyas en bajos marinos peligrosos para la navegación que sea preciso señalar, equipos de salvamento a bordo de buques, etc. Sin embargo, hay varias barreras que impiden un uso masivo de la energía fotovoltaica: por un lado sus precios continúan siendo altos. El mercado, o la demanda, sigue siendo pequeña y por lo tanto la escala de producción continúa siendo baja, esto hace que los precios sean altos. Estos precios altos mantienen el mercado restringido, un verdadero círculo vicioso. Por otro lado los proveedores de paneles fotovoltaicos se encuentran con dificultad para obtener módulos. La razón fundamental para este desabastecimiento estriba en la limitada oferta de silicio de grado semiconductor, componente fundamental de los paneles fotovoltaicos. Aunque el silicio es un material muy abundante en la Tierra, su depuración y cristalización está en manos de 6 empresas a nivel mundial. Actualmente la demanda de este componente se cifra en 70.000 toneladas anuales, con una previsión internacional de 150.000 toneladas en 2015. La industria fotovoltaica mundial ha crecido a un ritmo del 33% desde 1999, aunque en el último año el incremento ha llegado al 60% y ha hecho saltar las alarmas sobre el abastecimiento futuro de celdas fotovoltaicas.

Orígenes de las Celdas Solares

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

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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). La palabra fotovoltaico (a) está formada por la combinación de dos palabras, una de origen griego: foto, que significa luz, y la otra voltaico que significa eléctrico. El nombre resume la acción de estas células: transformar, directamente, la energía luminosa en energía eléctrica. La transformación de la energía luminosa en eléctrica toma lugar en la naturaleza durante el proceso de fotosíntesis, pero desde el punto de vista práctico (menores pérdidas) sólo tiene valor comercial la que toma lugar dentro de un diodo semiconductor. Como el proceso de elaboración de estos diodos precede al de la manufactura de las células fotovoltaicas (FVs), las unidades tienen un alto grado de repetibilidad. Las células FVs son manufacturadas usando diferentes materiales y procesos para crear los diodos, ya que los fabricantes continúan explorando la manera de abaratar el costo o incrementar la eficiencia de conversión de las mismas. Cuando la luz solar incidente tiene la energía y el espectro luminoso necesario para alterar el estado de equilibrio de la juntura N-P en estos diodos, se genera un exceso de cargas libres, las que pueden sostener una corriente, si se cierra el circuito externo.

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Para aquellos lectores que quieren conocer el fenómeno con mayor detalle, paso a darles un resumen sobre el tema. Dado que el fenómeno FV toma lugar dentro de un semiconductor, se hace necesario entender qué hace que un material sea un buen conductor, un buen aislante (no-conductor) y, por último, un semiconductor. La corriente eléctrica, por definición, es la cantidad de cargas que circulan por unidad de tiempo. Cuando se aplica un voltaje entre los extremos de un material, se crea un campo eléctrico dentro del mismo. Los electrones ubicados en la órbita exterior del átomo de este material, la más lejana del núcleo, estarán sometidos a una fuerza cuyo valor está dado por la expresión: F=qxE

(1)

Donde: q es el valor de la carga (en Coulomb) y E es el valor del campo eléctrico en V/m.

¿Qué determina la conducción (o no-conducción) en un material? La respuesta es: la estructura atómica de la substancia. En materiales conductores, como el cobre, el aluminio o el grafito, los electrones de la banda externa tienen mucha movilidad, ya que están saltando de átomo a átomo, aún a la temperatura ambiente. Bajo la acción de un campo eléctrico (voltaje entre los extremos) la fuerza dada por la expresión (1) los pone en movimiento. El valor de la conductividad (inversa de la resistividad) es elevado en estos materiales. En materiales aislantes, como el vidrio, el diamante o la porcelana, aún con elevados valores del campo eléctrico (altas tensiones) la fuerza que se ejerce sobre los electrones de la órbita externa no es suficiente para desplazarlos y establecer una corriente, ya que su movilidad es prácticamente nula.

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El autor utilizó en los ejemplos, a propósito, dos formas cristalinas distintas para el carbón: el grafito (conductor) y el diamante (aislante) para mostrar cómo la estructura interna de la substancia determina la movilidad de las cargas en la misma. Cuando el átomo de una substancia pierde un electrón, se transforma en una carga positiva. La pérdida de un electrón crea, en efecto, dos cargas dentro del material: una negativa (electrón libre) y otra positiva (resto del átomo). En substancias como el germanio (Ge) y el silicio (Si) los electrones de la capa exterior de un átomo son compartidos por átomos adyacentes (figura 3) formando una estructura fija rígida (cristalina) en donde los electrones carecen de movilidad. Por eso el germanio y el silicio puro son substancias aislantes. Si en un cristal de este tipo logramos incorporar átomos de otras substancias, aún en proporciones muy pequeñas, la conductividad de estos materiales varía drásticamente, convirtiéndolos en semiconductores. Estos materiales tienen un valor de conductividad que los sitúan entre los aisladores y los conductores de corriente. Si la substancia que se introduce tiene la capacidad de ceder electrones, éstos se convierten en la carga mayoritaria en esa zona (semiconductor tipo N). Si, por el contrario, los átomos de la substancia que se introduce son ávidos de electrones, la mayoría de los átomos en esta zona tendrán cargas positivas libres (tipo P). A estas cargas se las denominan hoyos (holes en inglés) ya que el electrón tomado deja un vacío (hoyo) en el átomo que lo cedió. A las substancias que se usan para alterar la conductividad del cristal puro se las conocen como dopantes (dopants, en inglés). El proceso de introducción de átomos que ceden o toman electrones, difusión, se ha convertido en un proceso robotizado, en donde los átomos de las substancias dopantes se introducen usando cañones electrónicos que bombardean los cristales (proceso 38

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Figura 3

de implantación). La industria usa el cristal de silicio (Si) porque su comportamiento a altas temperaturas es superior al del germanio (Ge). Quizá en el futuro haya células FVs hechas con diamantes, ya que se han descubierto varios procesos para fabricarlos en cantidad y a bajo precio, pero no se ha investigado como llevar adelante el proceso de difusión. Este material, carbón, es superior al silicio cuando la temperatura ambiente es elevada.

Juntura P-N

El proceso de difusión es repetitivo, de manera que pueden crearse zonas cuasi-conductoras, aisladoras o semiconductoras con diferentes cargas mayoritarias. Esto permite crear dos zonas cuasiconductoras en los extremos del diodo, las que sirven para anclar los conectores externos, así como dos zonas adyacentes, una del tipo N; la otra del tipo P. La zona entre estas dos regiones se denomina juntura (junction, en inglés). Nota: Observe el lector que la letra N se correlaciona con negativo y la letra P con positivo, indicando cual es la carga mayoritaria en cada zona.

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Figura 4

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pequeño espesor. La figura 4 muestra el estado de equilibrio para una juntura N-P.

Nota: En la expresión (1) la dirección de la fuerza depende del signo de la carga, de manera que los electrones y los hoyos se desplazan en sentidos opuestos.

Estado de Equilibrio La teoría muestra que las cargas mayoritarias (electrones de un lado y hoyos del otro) no permanecen inmóviles, desplazándose hacia la zona adyacente, donde la concentración es baja. Este desplazamiento de cargas (corrientes de desplazamiento) acumula cargas positivas en la zona N y negativas en la zona P, creando una diferencia de potencial en la juntura, la que establece un campo eléctrico (E). El proceso migratorio continúa hasta que se ve interrumpido cuando el valor del potencial alcanza lo que se denomina el nivel de Fermi para esa substancia. El campo eléctrico E (V/distancia) en esta zona tendrá un valor elevado, ya que la juntura tiene muy

Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene el espectro y nivel de energía requerido por el material (Si), el bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres (figura 5), los que se mueven libremente. Algunos de estos pares se recombinan (neutralizan) antes de migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de electrones del lado P y de hoyos del lado N serán impulsados a través de la juntura. La dirección del campo eléctrico E mostrada en la figura 5 hace que estas cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están listas para sostener una corriente cuando se conecten el lado N y P a una carga eléctrica externa. En síntesis, se denomina fotovoltaica a la transformación directa de radiación solar en energía eléctrica por medio de celdas solares. Las celFigura 5 das se componen hasta ahora en general de silicio, un material semiconductor. Mediante un tratamiento adecuado resultan diferentes capas que generan un campo eléctrico. Al incidir luz sobre la célula solar, las cargas positivas y negativas son separadas por un campo eléctrico, quedando disponibles para su utilización en ambos

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polos de la celda solar, como en una batería. La corriente continua (DC) generada por energía solar puede utilizarse directamente para hacer funcionar aparatos eléctricos o almacenarse en baterías. Alternativamente, la electricidad puede transformarse en corriente alterna por medio de un inversor y alimentarse a la red de corriente eléctrica. Para obtener mayores unidades de potencia se agrupan y conectan varias celdas solares en un módulo solar, a su vez los módulos solares forman los grandes paneles y finalmente una estación de generación de energía eléctrica masiva. La figura 6 muestra la composición de una celda fotovoltaica. ¿Cómo se hacen las celdas solares? Ya hemos visto aspectos teóricos sobre el funcionamiento de las celdas solares. Repetiremos algunos conceptos pero orientados a la forma en que se deben construir las celdas solares. Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas mono-cristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas Las planchas mono-cristalinas (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 mono-cristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo. En los dos procesos anteriormente menciona40

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Figura 6

dos, 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 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 multi-cristalino, 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, tal como hemos visto anteriormente. 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

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Figura 7

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. 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

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CELDAS SOLARES

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, vea la figura 7. La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico esta determinado por: El tipo y el área del materia. 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 watt de energía a 0.5 volt de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (el 1000W x m2). La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del

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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.

Figura 8

La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia empleando 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. Cómo dato complementario, un arreglo de varias celdas solares conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico (figura 8). Los módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el de un sistema común de 12 volt. La corriente producida depende directamente de cuánta luz llega hasta el módulo. De más está decir que lo dado hasta aquí es sólo una introducción a la energía solar y que en sucesivas ediciones seguiremos analizando el tema. Mientras tanto, recuerde que puede descargar un Curso Completo desde nuestra web, con la clave: TECSOL240.

Bibliografía http://newton.cnice.mec.es http://www.oni.escuelas.edu.ar 42

EL EMPLEO

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www.monografías.com (González, Ianina) http://www.scribd.com http://www.textoscientificos.com/energia/celu las http://www.gstriatum.com/energiasolar/ http://www.formaselect.com/areas-tematicas/energias-renovables/energia-solar.htm http://energiasolartermica.blogspot.com/200 6/02/introduccin-las-energias-renovables _03.html http://www.solarmai.net/espanol/energia%20solar-funcionamiento.htm http://www.agrodigital.com/acciona/images/s ol3.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%AD a_solar_t%C3%A9rmica http://www.solarte.es/files/personal_imgs/Es quema_solar_termica.jpg http://www.gstriatum.com/energiasolar/ http://energiaenchile.com/energiasrenovables_archivos/energias_renovables.jpg http://www.construmatica.com/construpedia/Energ%C3%ADa_Solar

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Energía Eólica

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PROYECTOS CON TURBINAS Y AEROGENERADORES

El Sol calienta de forma desigual las diferentes zonas del planeta, provocando el movimiento del aire que rodea la Tierra y dando lugar al viento. ¡El viento es energía en movimiento!

La energía eólica no es algo nuevo, es una de las energías más antiguas junto a la energía térmica.

Ya desde la publicación del libro Don Quijote de la Mancha, los molinos de viento estaban presentes, quizás los molinos más famosos del mundo. “La ventura va guiando nuestras cosas mejor de lo que acertáramos á desear; porque ves allí, amigo Sancho Panza, donde se descubren treinta ó pocos mas desaforados gigantes con quien pienso hacer batalla y quitarles á todos las vidas (...). -Mire vuestra merced, respondió Sancho, que aquellos que allí se parecen no son gigantes, sino molinos de viento, y lo que en ellos parecen brazos son las aspas que, volteadas del viento, hacen andar la piedra del molino.” Las necesidades energéticas de las viviendas, de las empresas, de los comercios y de todos los servicios de una ciudad (alumbrado público, por ejemplo) a menudo son muy grandes. Las instalaciones ya gigantescas deben evolucionar para lograr tres cosas: responder a la demanda cada vez mayor, proteger los recursos naturales y disminuir los vertidos a la atmósfera, especialmente de gases con efecto invernadero. El viento se puede aprovechar para aplicaciones mecánicas y electrificación de sitios aislados. Es por ello que la energía eólica es el recurso que está creciendo más rápidamente, a tal punto que se piensa que en 20 años más del 17% de la energía consumida en el mundo va a provenir del aprovechamiento del viento, desplazando al petróleo y otros productos no renovables. Hasta hace un tiempo, la velocidad mínima del viento por encima de los 15 km/h era una propiedad indispensables, hoy ese mínimo ha decrecido a tal punto que brisas no muy intensas se aprovechan para la obtención de energía.

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Introducción

Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en otras formas útiles para las actividades humanas. El término eólico viene del latín Aeolicus, perteneciente o relativo a Eolo, dios de los vientos en la mitología griega. La energía eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad para mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas. En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir energía eléctrica mediante aerogeneradores. A finales de 2009, la capacidad mundial de los generadores eólicos fue de 123GW (gigawatt) lo que representa alrededor del 2% del consumo de electricidad mundial, cifra equivalente a la demanda total de electricidad en Italia. La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde

La tierra absorbe una menor cantidad de luz solar, por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra se expande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva. El aire más frío y más pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente. Cuando se realizan estudios de factibilidad, para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cutout speed".

Tecnologías de Energías Renovables Cómo se Genera la Energía

Como se sabe, hay muchas formas de generar energía y, de hecho, “todo es energía o puede convertirse en energía”. Hay energía renovables y otras que no lo son. La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Estos vientos se generan a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1 y 2% de la energía proveniente del sol se convierte en viento. Durante el día, las masas de aire sobre los océanos, los mares y los lagos se mantienen frías con relación a las áreas vecinas situadas sobre las masas continentales.

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Hemos visto en la perimera parte de este libro cuálkles son los distintos tipos de energía; en general, las tecnologías de energía renovable a pequeña escala presentan una alternativa económica y ambiental factible para la provisión de energía a comunidades rurales remotas y para la expansión de la capacidad eléctrica instalada, ya sea por medio de sistemas aislados o por proyectos conectados a la red eléctrica. La región cuenta con suficientes recursos para desarrollar sistemas hidráulicos, solares, eólicos y de biomasa, principalmente. Adicionalmente, estas tecnologías pueden disminuir la contaminación del medio ambiente, causada por las emisiones de gases de los sistemas convencionales, que utilizan combustibles fósiles, como el carbón y productos derivados del petróleo. Estos gases contribuyen al efecto invernadero y al calentamiento global de nuestro planeta.

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Figura 1

Sin embargo, existen barreras que dificultan un mayor desarrollo de este tipo de energía: la falta de conocimiento de las tecnologías y las capacidades institucionales y técnica aún incipientes.

Clasificación de las Fuentes de Energía Retimemos el tema visto en la primera parte de este texto, pero ya “deteniéndonos” en el uso de las mismas. Las fuentes de energía se pueden dividir en dos grandes subgrupos: Permanentes o renovables Temporales o no renovables

Energías No Renovables Energía Fosil: Los combustibles fósiles son recursos no renovables: no podemos reponer lo que gasta-

mos. En algún momento, se acabarán, y tal vez sea necesario disponer de millones de años de evolución similar para contar nuevamente con ellos. Las energías no renovables son aquellas cuyas reservas son limitadas y se agotan con el uso. Las principales son la energía nuclear y los combustibles fósiles (el petróleo, el gas natural y el carbón). La energía fósil es energía solar concentrada y petrificada en forma de compuestos de carbono, que proviene de plantas y animales que vivieron hace millones de años. Este carbono, al quemarse, pasa a la atmósfera en forma de dióxido de carbono, el principal componente del efecto invernadero. El carbón fue el primer tipo de combustible fósil en ser utilizado como energía comercial. Siguieron el petróleo y el gas natural. Toda nuestra economía está basada en el consumo masivo de energía fósil: la energía procedente de carbones, petróleo y gas natural aporta un 88% del consumo total de energía primaria (vea la infografía de la figura 1).

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Los combustibles fósiles se pueden utilizar en forma sólida (carbón), líquida (petróleo) o gaseosa (gas natural). Son acumulaciones de seres vivos que vivieron hace millones de años y que se han fosilizado formando carbón o hidrocarburos. En el caso del carbón se trata de bosques de zonas pantanosas, y en el caso del petróleo y el gas natural de grandes masas de plancton marino acumuladas en el fondo del mar. En ambos casos la materia orgánica se descompuso parcialmente por falta de oxígeno y acción de la temperatura, la presión y determinadas bacterias de forma que quedaron almacenadas moléculas con enlaces de alta energía. La energía más utilizada en el mundo es la energía fósil. Si se considera todo lo que está en juego, es de suma importancia medir con exactitud las reservas de combustibles fósiles del planeta. Se distinguen las “reservas identificadas” aunque no estén explotadas, y las “reservas probables”, que se podrían descubrir con las tecnologías futuras. Según los cálculos, el planeta puede suministrar energía durante 40 años más (si sólo se utiliza el petróleo) y más de 200 (si se sigue utilizando el carbón). Energía Nuclear: El núcleo atómico de elementos pesados como el uranio, puede ser desintegrado (fisión nuclear) y liberar energía radiante y cinética. Las centrales termonucleares aprovechan esta energía para producir electricidad mediante turbinas de vapor de agua. Se obtiene al romper los átomos de minerales radiactivos en reacciones en cadena que se producen en el interior de un reactor nuclear. Una consecuencia de la actividad de producción de este tipo de energía, son los residuos nucleares, que pueden tardar miles de años en desaparecer y tardan mucho tiempo en perder la radiactividad (figura 2).

Energías Renovables o Verdes Energía verde es un término que describe la energía generada a partir de fuentes de energía primaria 46

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Figura 2

respetuosas con el medio ambiente. Las energías verdes son energías renovables que no contaminan, es decir, cuyo modo de obtención o uso no emite subproductos que puedan incidir negativamente en el medio ambiente. Actualmente, están cobrando mayor importancia a causa del agravamiento del efecto invernadero y el consecuente calentamiento global, acompañado por una mayor toma de conciencia a nivel internacional con respecto a dicho problema. Asimismo, economías nacionales que no poseen o agotaron sus fuentes de energía tradicionales (como el petróleo o el gas) y necesitan adquirir esos recursos de otras economías, buscan evitar dicha dependencia energética, así como el negativo en su balanza comercial que esa adquisición representa. Las “Energías Renovables” nos pueden sonar en sí a algún tipo de motor o alguna forma de generación artificial de energía. Pero nos equivocamos, se trata de algo diferente. Es más, no es necesario recurrir a una explicación científica o alguna investigación técnica para darnos luz en el tema, basta con analizar las propias palabras en cuestión. Energías renovables son aquellas que se renuevan constantemente, porque se producen en forma continua y son inagotables. Las energías renovables son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Para fuentes como la biomasa, es necesario que se respeten los ciclos naturales si se quiere tener un abastecimiento continuo. Tienen la peculiaridad de ser energías limpias debido a que suponen un nulo o escaso impacto ambiental, su utilización no tiene riesgos potenciales añadidos y son una alternativa a las fuentes de ener-

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gía convencionales, pudiendo sustituirlas paulatinamente. Las energías renovables Figura 3 han constituido una parte importante de la energía utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la del sol, son

buenos ejemplos de ello. El sol es un elemento súper importante para las energías renovables, porque es en él donde se inician los ciclos de éstas. El calor del sol provoca en la tierra las diferencias de presión que dan origen a los vientos, fuente de la energía eólica. El sol ordena el ciclo del agua, causa la evaporación que predispone la formación de nubes y, por tanto, las lluvias. Las fuentes renovables de energía se basan en los flujos y ciclos naturales del planeta. Son aquellas que se regeneran y son tan abundantes que perdurarán por cientos o miles de años, las usemos o no; además, usadas con responsabilidad no destruyen el medio ambiente. La electricidad, calefacción o refrigeración generados por las fuentes de energías renovables, consisten en el aprovechamiento de los recursos naturales como el sol, el viento, los residuos agrícolas u orgánicos. Incrementar la participación de las energías renovables, asegura una generación de electricidad sostenible a largo plazo, reduciendo la emisión de CO2. Aplicadas de manera socialmente responsable, pueden ofrecer oportunidades de empleo en zonas rurales y urbanas y promover el desarrollo de tecnologías locales.

Figura 4

Energía Eólica: Es la fuente de energía que está creciendo más rápidamente y, si los gobiernos le aseguran el apoyo necesario, podría cubrir en el 2020 el 12% de toda la electricidad mundial. La energía eólica requiere condiciones de intensidad y regularidad en el régimen de vientos para poder aprovecharlos. Se considera que vientos con velocidades promedio entre 5 y 12.5 metros por segundo son los aprovechables (figura 3).

Figura 5

El viento contiene energía cinética (de las masas de aire en movimiento) que puede convertirse en

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energía mecánica o eléctrica por medio de aeroturbinas, las cuales están integradas por un arreglo de aspas, un generador y una torre, principalmente. Energía Solar: La energía solar que recibe nuestro planeta es el resultado de un proceso de fusión nuclear que tiene lugar en el interior del sol. Esa radiación solar se puede transformar directamente en electricidad Figura 6 (conversión de energía solar en energía eléctrica) o en calor (solar a térmica). El calor, a su vez, puede ser utilizado para producir vapor y generar electricidad, figura 4.

Energía Solar Térmica: Un equipo sencillo permite demostrar que el agua puede ser calentada con energía solar, en sustitución del gas. Los sistemas solares térmicos pueden clasificarse en planos o de concentración o enfoque. Los sistemas solares planos son dispositivos que se calientan al ser expuestos a la radiación solar y transmiten el calor a un fluido (agua, por ejemplo). Con el colector solar plano se pueden calentar fluidos a temperaturas de hasta 200 ºC pero, en general, se aprovecha para calentar hasta los 75 ºC. Los sistemas solares de concentración, figura 5, son aquellos que funcionan enfocando la radiación solar en un área específica, en un punto o a lo largo de una línea. En algunas centrales solares termoeléctricas concentran la radiación solar utilizando para ello espejos, y mediante distintas tecnologías proporcionan calor a media o alta temperatura (en casos especiales, hasta miles de grados). Ese calor se utiliza para generar electricidad, del mismo modo que en una central termoeléctrica. El calor solar recogido durante el día se puede almacenar, de forma que durante la noche o cuando está nublado se puede igualmente estar generando electricidad. Este conjunto de dispositivos requiere de procedimientos o mecanismos de seguimiento, ya que la línea de incidencia del sol varía durante el día y durante el año. 48

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Energía Solar Eléctrica: La energía solar es uno de los recursos más tenidos en cuenta para el abastecimiento futuro de la humanidad. La conversión de energía solar en energía eléctrica, (figura 6), es cada vez más económica. La energía del sol se transforma en electricidad mediante células fotovoltaicas, aprovechando las propiedades de los materiales semiconductores. El material base para la fabricación de la mayoría de las células fotovoltaicas es el silicio. La eficiencia de conversión de estos sistemas es de alrededor de 15%. Aun así, un metro cuadrado puede proveer potencia suficiente para operar un televisor mediano. Para poder proveer de energía eléctrica en las noches, las celdas fotovoltaicas requieren de baterías donde se acumula la energía eléctrica generada durante el día. En la actualidad se están desarrollando sistemas fotovoltaicos conectados directamente a la red eléctrica, evitando así el uso de baterías, por lo que la energía que generan se usa de inmediato.

Figura 7

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das. Es decir, un volcán o un río de aguas termales proporcionarían una gran cantidad de calor aprovechable sin necesidad de irse a las profundidades. Y de ahí hacia abajo, depende de las zonas del mundo, puede haber grandes cambios de temperatura que se pueden utilizar.

Figura 8

Energía Geotérmica: La energía geotérmica se obtiene aprovechando el calor que emana de la profundidad de la tierra. La energía geotérmica se produce cuando el vapor de los yacimientos es conducido por tuberías. Al centrifugarse se obtiene una mezcla de agua y vapor seco, el cual es utilizado para activar turbinas que generan electricidad. En términos estrictos no es una energía renovable, pero se la considera como tal debido a que existe en tan grandes cantidades que el ser humano no verá su fin y con un mínimo de cuidados es una energía limpia (figura 7). Este calor también se puede aprovechar para usos térmicos. Al hablar de la energía geotérmica de alta y baja temperatura en realidad estamos hablando de dos tipos de aprovechamiento energético radicalmente distintos, podríamos decir que uno es a gran escala, y el otro a pequeña. La energía geotérmica de alta temperatura trata de aprovechar el calor producido por las profundidades de la tierra, que en ocasiones no son tan profun-

Si pensamos en este tipo de energía geotérmica nos iremos fácilmente a pensar en regiones como Chile, o determinadas zonas de EEUU, o las aguas termales de Argentina y que afloran a superficie o que sin aflorar se puede acceder a ellas con cierta facilidad. Sin embargo este tipo de energía geotérmica de alta temperatura también se puede aprovechar en otras zonas menos pensadas. ¿Volcanes, aguas termales, ríos de lava subterránea? En absoluto, pero a 4.000 metros de profundidad existen unas temperatura de 150ºC en la roca granítica bajo la región que no está nada mal. Biomasa: Se considera por biomasa a todo el conjunto de elementos vivos que componen un espacio geográfico y que actúan en combinación de muchas maneras diversas afectándolo tanto positiva como negativamente. La biomasa es la sección del planeta que está habitada por seres vivos de manera permanente, a diferencia de lo que sucede con la sección subterránea y con la sección atmosférica, ninguna de las cuales presenta condiciones aptas para la vida permanente y estable de los seres vivos. La biomasa se refiere a la madera, a las cosechas, a los residuos de la cosecha o a la basura del arbolado urbano que se quema para hacer girar las turbinas y obtener electricidad. Biogás se le llama al metano que se puede extraer de estos residuos en un generador de gas o un digestor. El biogás se puede también extraer del abono animal y puede ser quemado para producir electricidad. Los combustibles de la biomasa y del biogás se pueden almacenar para producir energía.

Figura 9

La biomasa es potencialmente carbón neutro porque el dióxido de carbono que se emite cuando es quemado es igual a la cantidad que fue absorbida de la atmósfera mientras que la planta creció. Hay bastante biomasa para pro-

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porcionar un porcentaje significativo de la electricidad generada. Usar este combustible podría también reducir el consumo del combustible fósil y la contaminación atmosférica. Desafortunadamente, la mayoría de los residuos agrícolas se quema actualmente al aire libre.

Figura 10

De ninguna manera se incluyen como biomasa los desechos sólidos, peligrosos, hospitalarios u otro tipo de basura que produzca contaminación atmosférica, como la quema llantas. De igual forma, por la incertidumbre que rodea el tema, se descartan los residuos de cosechas modificadas genéticamente. La biomasa puede estar, entonces, compuesta por un sinfín de elementos tales como plantas, animales, microorganismos y demás, todos ellos habitantes de un espacio definido al cual modifican de manera espontánea y continua (figura 8). Las modificaciones son las que le da las características al lugar y lo hace diferente a otros espacios debido a la acción combinada de los elementos vivos o bióticos. El conjunto de transformaciones que se generan a causa de la acción de la biomasa se conoce como ecosistema, el espacio en el cual se combinan tanto los elementos vivos como los no vivos y se relacionan entre sí de muy diversas maneras (por ejemplo, un ecosistema acuático en el cual los animales y las plantas dejan su huella en el agua). De más está decir que, dependiendo del espacio, la cantidad de elementos vivos presentes podrá variar y conformar así diferentes tipos de ecosistemas, algunos más naturales y otros más artificiales. La biomasa también puede ser entendida en términos ecológicos y sustentables ya que se define al mismo tiempo como una materia viva que se puede transformar en un importante recurso energético no contaminante y mucho menos nocivo para el planeta que otras energías tales como el petróleo. En este sentido, los defensores de la biomasa como recurso energético plantean que todos los elementos vivos pueden ser utilizados como energía y que, entonces, una importantísima variedad de elementos podrían contribuir a la eliminación de otras energías mucho más contaminantes y nocivas, figura 9. 50

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Hidrógeno: Figura 11 En las células de hidrógeno se rompe una molécula de agua (H2O) para obtener hidrógeno con el cual se produce electricidad. El único subproducto resultante es oxígeno y vapor de agua. Estas células se están utilizando en hogares y negocios de algunos países desarrollados; incluso fabricantes de automóviles ya tienen vehículos que funcionan con este sistema. Por supuesto, en este mecanismo de energía renovable no hay cabida para proyectos como el plan de energía del presidente George W. Bush, que propone aumentar el uso del carbón y la energía nuclear para generar combustible de hidrógeno. Terra Motor publicó un interesante reportaje sobre el futuro de los combustibles de automóviles. Analiza a fondo los pros y los contras de esta tecnología y el por qué aún no contamos con ellas cuando nos encontramos en una era de grandes avances, (figura 10). El principal problema del hidrógeno es que se necesita otra energía para obtener el hidrógeno puro. Una vez logrado, viene el problema de su almacenaje: estamos ante un gas muy inestable y volátil (de no aislarse bien, se convierte en una bomba incendiaria). Debe conservarse a una temperatura extremadamente baja (a unos 253 grados bajo cero) o a una presión muy alta. Esto se ha conseguido para grandes máquinas

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es el gas natural, mediante la denominada tecnología del reformado con vapor. Es también la opción menos contaminante a partir de combustibles fósiles. A partir del agua mediante electrólisis: una corriente eléctrica descompone el agua en hidrógeno y oxígeno, (figura 11).

Figura 12

como los cohetes o los submarinos. Sin embargo, el gran problema es conseguir un sistema económico y, sobre todo, seguro. Existen diferentes métodos para conseguir el preciado gas, aunque los principales son: A partir de hidrocarburos: la gasolina está compuesta de hidrógeno y carbono. Mediante un catalizador se arranca el hidrógeno de la gasolina y se envía, en forma gaseosa, a la pila de combustible. Los detractores de esta tecnología aseguran que termina siendo contaminante; sin embargo, la cantidad de CO2 que se emite a la atmósfera es mínima. Además, también se puede conseguir de combustibles “verdes” (los biocarburantes). A partir del gas natural y vapor de agua. Hoy por hoy, la opción más barata para producir el hidrógeno

Energía Hidráulica: Se denomina energía hidráulica o energía hídrica a aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente de ríos, saltos de agua o mareas. Es el aprovechamiento de la energía potencial de una cantidad de agua situada en el cauce de un río para convertirla primero en energía mecánica (movimiento de una turbina) y posteriormente en electricidad, (figura 12). Es un tipo de energía verde cuando su impacto ambiental es mínimo y se la emplea desde hace siglos; por medio de pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilización más significativa la constituyen las centrales hidroeléctricas de represas, aunque estas últimas no son consideradas formas de energía verde por el alto impacto ambiental que producen. Cuando el sol calienta la tierra, además de generar corrientes de aire, hace que el agua de los mares, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y se mueva hacia las regiones montañosas, para luego caer en forma de lluvia.

Figura 13

Este agua se puede colectar y retener mediante presas. Parte del agua almacenada se deja salir para que se mueva los álabes de una turbina engranada con un generador de energía eléctrica (figura 13) Existe la denominada energía mareomotriz se debe a las fuerzas gravitatorias entre la luna, la tierra y el sol, que originan las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa entre estos tres astros.

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La energía undimotriz es la energía producida por el movimiento de las olas y la energía debida al gradiente térmico oceánico, que marca una diferencia de temperaturas entre la superficie y las aguas profundas del océano. Es menos conocida y extendida que la mareomotriz, pero cada vez se aplica más.

Figura 14

Algunos sistemas para aprovechar esta energía pueden ser:

(megawatt), suponiendo 1MW/m3 de salida de agua fresca por segundo.

· Un aparato anclado al fondo y con una boya unida a él con un cable. El movimiento de la boya se utiliza para mover un generador. Otra variante sería tener la maquinaria en tierra y las boyas metidas en un pozo comunicado con el mar.

Un módulo con una capacidad de 250 kilowatt tiene el tamaño de un container. En 2005 una planta de 50 kilowatt está situada en un sitio de prueba costero en Harlingen, los Países Bajos.

· Un aparato flotante de partes articuladas que obtiene energía del movimiento relativo entre sus partes. · Un pozo con la parte superior hermética y la inferior comunicada con el mar. En la parte superior hay una pequeña abertura por la que sale el aire expulsado por las olas. Este aire mueve una turbina que es la que genera la electricidad. Energía Azul: La energía azul es la energía obtenida por la diferencia en la concentración de la sal entre el agua de mar y el agua de río con el uso de la ósmosis, con membranas de iones específicos. El residuo en este proceso es agua salobre. La mezcla de agua dulce procedente de los ríos con el agua salada del océano libera altas cantidades de energía. La energía liberada al mezclar aguas con diferente salinidad no es fácilmente visible como un torrente violento de agua o un géiser de vapor caliente. Sin embargo, la energía está ahí y cualquiera que haya intentado separar la sal del agua del mar sabrá que se necesita gran cantidad de energía. En los Países Bajos, por ejemplo, más de 3300 m3 de agua dulce por segundo desembocan en el mar como promedio. El potencial energético es por lo tanto de 3300MW 52

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Aspectos Prácticos de la Energía Eólica

Si bien existe mucha información sobre el mejor aprovechamiento de la energía eólica, basaré el siguiente texto en información suministrada en WIKIPEDIA; donde podemos encontrar diferentes referencias (y documentos de mi autoría), todas ellas de gran utilidad. El viento ha tenido tal importancia en la vida cotidiana del hombre que, en la antigüedad, llegó a elevarlo a la categoría de Dios. En la mitología griega, el Dios padre de los vientos era Eolo, quien, según cuenta la leyenda, tenía encerrados los vientos en un zurrón y los sacaba cuando le parecía oportuno. La energía del viento es utilizada mediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores) capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices, como para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el sistema de conversión, (que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador. En la actualidad se utiliza, sobre todo, para mover aerogeneradores. En estos, la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace

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girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos. Un molino es una máquina que transforma el viento en energía aprovechable, que proviene de la acción de la fuerza del viento sobre unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear agua o generar electricidad. Cuando el eje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Los molinos tienen un origen remoto. El viento como fuerza motriz existe desde la antigüedad y en todos los tiempos ha sido utilizado como tal, como podemos observar. Tiene su origen en el sol. Así, ha movido a barcos impulsados por velas o ha hecho funcionar la maquinaria de los molinos al mover sus aspas. Pero, fue a partir de los ochenta del siglo pasado, cuando este tipo de energía limpia sufrió un verdadero impulso.

Molinos y Turbinas

La referencia más antigua que se tiene es un molino de viento que fue usado para hacer funcionar un órgano en el siglo I era común. Los primeros molinos de uso práctico fueron construidos en Sistán, Afganistán, en el siglo VII. Estos fueron molinos de eje vertical con hojas rectangulares. 6 aparatos hechos de 6 a 8 velas de molino cubiertos con telas fueron usados para moler maíz o extraer agua. El desarrollo de molinos de bombeo, reconocibles por sus múltiples velas metálicas, fue el factor principal que permitió la agricultura y la ganadería en vastas áreas de Norteamérica, de otra manera imposible sin acceso fácil al agua. Estos molinos contribuyeron a la expansión del ferrocarril alrededor del mundo, supliendo las necesidades de agua de las locomotoras a vapor. Las turbinas modernas fueron desarrolladas a comienzos de 1980, si bien, los diseños continúan desarrollándose. La industria de la energía eólica en

tiempos modernos comenzó mas precisamente en Figura 15 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeñas para los estándares actuales, con capacidades de 20 a 30kW cada una. Desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente, y la producción se ha expandido a muchos países.

Cómo Funciona la Energía Eólica

Vamos a explicar en pocas palabras cómo podemos calcular la potencia generada por una turbina. La figura 14 muestra un esquema de cómo obtener energía eléctrica a partir de la energía del viento. Un aerogenerador convierte la fuerza de frenado del viento que ejercen las aspas, en un movimiento giratorio del rotor. Si “m” es la masa del aire que pasa por el rotor y “v” su velocidad, la energía cinética del viento que llega al rotor es: E = (1/2) m v2 Si “r” es la densidad del aire y “A” el área de barrido del rotor (figura 15), la masa de aire que pasa cada unidad de tiempo por el rotor es: m = rAV De las expresiones anteriores: E -> P = (1/2)r A v3 Donde ponemos “P” de potencia, en analogía con E de energía. Si ahora consideramos que ”Cp” es el coeficien-

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GIRA Y GIRA: En la actualidad existen turbinas con sólo 2 palas, las mas potentes cuentan con tres de hasta 40 metros cada una (equivalente a un edificio de 13 pisos). Esta son realizadas con materiales muy livianos como fibra de vidrio o fibra de carbono. En la base de cada pala existe un mecanismo que permite girarlas para mejor aprovechamiento de la dirección del viento.

ENTRANDO A LOS EJES Entre la hélice y el generador hay dos ejes interconectados. El eje principal se conecta directamente a la hélice y por eso gira muy lento, entre 20 y 30 rotaciones por minuto. Entre este eje y el otro, conectado al generador, hay un conjunto de engranajes conocidos como “multiplicador” que hace que el segundo eje gire a velocidades superiores a los 1500 giros por minuto.

TODO BAJO CONTROL Cada turbina posee una computadora que controla el funcionamiento de los generadores en función de la dirección y la velocidad del viento. Este control computarizado permite mover las palas y hasta “toda la turbina” para aprovechar el viento al máximo rendimiento de modo que se pueda generar electricidad con velocidades de viento inferiores a los 10km/h. La computadora acciona un freno cuando la velocidad del viento supera el máximo establecido que, en general, está en el orden de los 90 km/h.

Eje principal Eje del generador

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¡Y SE HIZO LA LUZ! Lo que diferencia a una turbina eólica de un molino es justamente “el generador” que aprovecha la rotación mecánica del eje (que en un molino puede mover un triturador de granos o una bomba extractora de agua) para generar energía eléctrica. Esto ocurre porque dentro del generador hay una bobina (en general de cobre) en contacto con un imán que, por inducción produce electricidad (principio de funcionamiento básico de un generador). CUARTEL GENERAL Las centrales eólicas tienen un sistema de transmisión donde se encuentran los cables que salen de cada turbina. Desde allí, la energía parte a través de la red eléctrica. El número de turbinas que componen una central eólica varía para cada proyecto pudiendo ser una sola unidad o más de 3000 turbinas como en el caso de Altamont Pass en los estados Unidos.

Anemómetro (mide la velocidad del viento)

Transmisión de energía

EN BUSCA DEL VIENTO Lo ideal es que el viento llegue a la turbina en posición perpendicular a la torre. Es por eso que en general, las turbinas poseen un sensor de dirección del viento conectado al sistema de control. Cuando el viento comienza a soplar de lado, la turbina intenta girar para tener el viento de frente.

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te de potencia de la turbina, se obtiene la conocida expresión de la potencia de salida:

Figura 16

P = (1/2) Cp r A v3 Esta expresión explica las directrices que ha seguido el desarrollo de la energía eólica para generar electricidad: El factor más influyente es el cubo de la velocidad del viento, que ha obligado a perfeccionar los métodos de prospección de sitios y predicción certera de la velocidad del viento. El segundo factor es el área de barrido del rotor que depende del cuadrado de su diámetro, lo que ha conducido el desarrollo estructural hacia la fabricación de aspas cada vez más largas y resistentes a la solicitación dinámica. El tercer factor, es el rendimiento del rotor, que ha guiado hacia continuos cambios de diseño aerodinámico de aspas; y a posibilitar la generación eléctrica a velocidad variable. La figura 16 muestra la evolución de la energía eólica generada con el paso del tiempo.

Cómo Funciona un Aerogenerador

Un aerogenerador transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica. Se montan sobre una torre a mas de 30 metros para capturar más energía. La fuerza del viento mueve las aspas y este movimiento se transmite mediante una serie de engranajes a un generador eléctrico. Los antiguos diseños de aerogeneradores eran menos eficientes e incapaces de adaptarse a los cambios de dirección y velocidad del viento. Los aerogeneradores se agrupan en zonas 56

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idóneas formando centrales eólicas y estas forman parques eólicos. Un aerogenerador es una máquina que transforma la energía cinética del viento en energía eléctrica. La fuerza del viento mueve las aspas del aerogenerador, la energía cinética del viento se convierte en energía mecánica rotacional y este movimiento se transmite mediante una serie de engranajes a un generador que produce la energía eléctrica. Los componentes claves de un aerogenerador son la torre que soporta la góndola, las aspas y el generador eléctrico. La mayoría de los aerogeneradores modernos son de tres palas, de eje horizontal y poseen mecanismos de orientación para obtener el máximo rendimiento y proteger el aerogenerador en caso de vientos fuertes. El máximo inconveniente de un aerogenerador es el impacto visual que provoca en la zona donde se instala. El funcionamiento de un aerogenerador es muy sencillo. El viento mueve las palas del aerogenerador y a través de un sistema mecánico de engranajes hacen girar el rotor. La energía mecánica rotacional del rotor es transformada en energía eléctrica por el generador. Las partes principales de un aerogenerador (figura 17) son: La góndola (carcasa) que protege las partes fundamentales del aerogenerador.

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Figura 17

Las palas del rotor que transmiten la potencia del viento hacía el buje. El buje que es la parte que une las palas del rotor con el eje de baja velocidad. Eje de baja velocidad que conecta el buje del rotor al multiplicador. Su velocidad de giro es muy lenta. El multiplicador, permite que el eje de alta velocidad gire mucho más rápido que el eje de baja velocidad. Eje de alta velocidad, gira a gran velocidad y permite el funcionamiento del generador eléctrico. El generador eléctrico que es una de las partes mas importantes de un aerogenerador. Transforma la energía mecánica en energía eléctrica El controlador electrónico, es un ordenador que monitoriza las condiciones del viento y controla el mecanismo de orientación. La unidad de refrigeración, mecanismo que sirve para enfriar el generador eléctrico. La torre que es la parte del aerogenerador que soporta la góndola y el rotor. La góndola es donde se encuentran la mayoría de componentes principales del aerogenerador. La torre permite que las palas estén a la altura mas apropiada para obtener el máximo rendimiento posible.

El mecanismo de orientación, está activado por el controlador electrónico, la orientación del aerogenerador cambia según las condiciones del viento.

La figura 18 muestra un corte de una turbina comercial. Existen dos tipos de aerogeneradores según la disposición de su eje de rotación. Los aerogeneradores de eje horizontal y los de eje vertical. Los aerogeneradores de eje horizontal son los que el eje de rotación del aerogenerador se encuentra paralelo al suelo. Y los aerogeneradores de eje vertical son los que el eje de rotación está perpendicular. Por motivos de eficiencia y mayor rendimiento el tipo de aerogenerador mas habitual en la actualidad es el aerogenerador de eje horizontal. Aerogenerador de Eje Horizontal La principal característica de un aerogenerador de eje horizontal es que el eje de rotación se encuentra paralelo al suelo. Los aerogeneradores horizontales tienen su eje de rotación principal en la parte superior de una torre y necesitan un mecanismo de orientación para hacer frente a los cambios bruscos en la dirección del viento. En la actualidad la mayor parte de aerogeneradores comerciales son de eje horizontal debido al mayor rendimiento que producen con res-

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Figura 18

pecto a los aerogeneradores de eje vertical. Las partes principales de un aerogenerador de eje horizontal son: Rotor: las palas del rotor, construidas principalmente con materiales compuestos, se diseñan para transformar la energía cinética del viento en un momento torsor en el eje del equipo. Los rotores modernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a 80 metros y producir potencias equivalentes de varios MW. La velocidad de rotación está normalmente limitada por la velocidad de punta de pala, cuyo límite actual se establece por criterios acústicos. Caja de engranajes o multiplicadora: puede estar presente o no dependiendo del modelo. Transforman la baja velocidad del eje del rotor en alta velocidad de rotación en el eje del generador eléctrico. Generador: existen diferentes tipos dependiendo del diseño del aerogenerador. Pueden ser sincrónicos o asíncronos, jaula de ardilla o doblemente alimentados, con excitación o con imanes permanentes. La torre: sitúa el generador a una mayor altura, donde los vientos son de mayor intensidad y para permitir el giro de las palas y transmite las cargas del equipo al suelo. 58

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Sistema de control: se hace cargo del funcionamiento seguro y eficiente del equipo, controla la orientación de la góndola, la posición de las palas y la potencia total entregada por el equipo.

Todos los aerogeneradores de eje horizontal tienen su eje de rotación principal en la parte superior de la torre, que tiene que orientarse hacia el viento de alguna manera. Los aerogeneradores pequeños se orientan mediante una veleta, mientras que los más grandes utilizan un sensor de dirección y se orientan por servomotores. Dado que la velocidad de rotación de las aspas es baja, la mayoría hacen uso de una caja reductora para aumentar la velocidad de rotación del generador eléctrico. En general, la hélice está emplazada de tal manera que el viento, en su dirección de flujo, la encuentre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto disminuye las cargas adicionales que genera la turbulencia de la torre en el caso en que el rotor se ubique detrás de la misma (rotor a sotavento). Las palas de la hélice se montan a una distancia razonable de la torre y tienen alta rigidez, de tal manera que al rotar y vibrar naturalmente no choquen con la torre en caso de vientos fuertes. A pesar de la desventaja en el incremento de la turbulencia, se han construido aerogeneradores con

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Figura 19

hélices localizadas en la parte posterior de la torre, debido a que se orientan en contra del viento de manera natural, sin necesidad de usar un mecanismo de control. Sin embargo, la experiencia ha demostrado la necesidad de un sistema de orientación para la hélice que la ubique delante de la torre. Este tipo de

montaje se justifica debido a la gran influencia que tiene la turbulencia en el desgaste de las aspas por fatiga. La mayoría de los aerogeneradores actuales son de este último tipo. Las turbinas eólicas se pueden utilizar para producir electricidad para un solo hogar o edificio, o pueden ser conectadas a la red de electricidad. En la figura 19 vemos un generador de este tipo, que posee las siguientes referencias:

1. Cimientos 2. Conexión a la red eléctrica 3. Torre 4. Escalera de acceso 5. Sistema de orientación 6. Góndola 7. Generador 8. Anemómetro 9. Freno 10. Transmisión 11. Pala 12. Inclinación de la pala 13. Buje del rotor Aerogenerador de Eje Vertical La principal característica de un aerogenerador de eje vertical es que su eje de rotación está en posición perpendicular con respecto al suelo. Son aerogeneradores de fácil instalación que no necesitan de una gran torre para funcionar. Los aerogeneradores de eje vertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección del viento. No es necesario que dispongan de ningún mecanismo de orientación ante cambios de la dirección del viento. Son ideales en zonas de viento débil. La máxima desventaja del aerogenerador de eje vertical es su bajo rendimiento, debido a la resistencia que las palas ofrecen al viento y a la poca altura que se encuentra el rotor. Los aerogeneradores verticales mas habituales son el aerogenerador Darrieus y el aerogenerador Savonius de los cuales ya hemos hablado en otras entradas.

Turbinas Eólicas Pequeñas Las turbinas eólicas pequeñas, de menos de 50 kilowatt, se utilizan para viviendas, antenas de tele-

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comunicaciones, o para el bombeo de agua. A veces se utilizan las turbinas pequeñas junto con generadores diesel, baterías, y sistemas fotovoltaicos. Estos sistemas se llaman sistemas eólicos híbridos y se utilizan normalmente en sitios apartados, donde no es posible la conexión a la red eléctrica o en sitios donde la conexión a la red eléctrica es muy cara. Una turbina eólica funciona al contrario que un ventilador, en lugar de utilizar electricidad para producir viento, como un ventilador, las turbinas eólicas utilizan el viento para producir electricidad. El viento da vueltas a las láminas, que hacen girar un eje, que conecta con un generador y produce electricidad. La energía del viento da vueltas a dos o tres láminas a modo de propulsor alrededor de un rotor. El rotor está conectado con el eje principal, que hace girar un generador para crear electricidad. Las turbinas eólicas se montan en una torre para capturar la máxima energía. A unos 30 metros de altura o más, pueden aprovechar viento más rápido y menos turbulento.

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Energía Hidroeléctrica PRÁCTICAS Y PROYECTOS

Tal como dice el Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable, Comisión Nacional de Energía Atómica, “Cuando encendemos una luz, ponemos en funcionamiento un artefacto eléctrico como por ejemplo un televisor, estamos utilizando Energía Eléctrica y una de las formas de obtener este tipo de Energía es a través de una central hidroeléctrica. En las centrales hidroeléctricas la energía se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La energía hidráulica tiene su origen en el "ciclo del agua", generado por el Sol, al evaporar las aguas de los mares, lagos, etc. Esta agua cae en forma de lluvias y nieves sobre la tierra y escurre hasta el mar, donde el ciclo se reinicia. El agua que ha caído en las partes altas puede ser captada en lagunas y embalses, y conducida por canales y túneles hasta el lugar donde se emplea ó como se ha dicho en el párrafo anterior hacer caer el agua a una rueda hidráulica, la cual al girar, puede mover molinos de harina, soplantes para fraguas, molinos para minerales y otras muchas aplicaciones. Las microcentrales hidroeléctricas son pequeños sistemas energéticos que aprovechan la energía renovable de pequeños y medianos cursos de agua y la transforman en energía eléctrica. Funcionan con desniveles de 2 a 200 metros y caudales de 0,5 a 3000 litros/seg. Proporcionan energía eléctrica en corriente continua o alterna en un rango de 0,5 hasta 150kW. de potencia. Las microcentrales hidroeléctricas constituyen una alternativa energética viable, cohabitando en perfecta armonía con el hombre y el medio ambiente. No contaminan, producen "energía limpia" sin causar daños hidrológicos. En este manual veremos algunos aspectos generales sobre la producción de energía hidroeléctrica, le proponemos el armado “artesanal” de un pequeño generador Hidroeléctrico (molino de viento) y lo invitamos a descargar gratuitamente una serie de proyectos adicionales de suma utilidad práctica.

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Introducción

agua en movimiento es suficientemente abundante y continuo, para poder aprovechar la fuerza gravitacional de un salto o el fluir del agua.

En general, podemos decir que las centrales hidroeléctricas son confiables, de construcción sencilla, larga vida útil y mínimo mantenimiento. Favorecen el asentamiento humano mejorando las condiciones de calidad de vida y promueven el desarrollo industrial, económico y social, logrando el equilibrio entre tecnología y naturaleza. Están llamadas a cumplir un rol cada vez más importante en la solución de los problemas energéticos en el ámbito rural, donde arribar con una línea de corriente eléctrica implica costos muy altos. Los lugares de aplicación más comunes de las centrales hidroeléctricas son en zonas alejadas de la red de suministro eléctrico y centros de distribución; y en sitios donde se desea aprovechar un recurso hídrico disponible para generar energía a los efectos de iniciar alguna explotación agrícola/ganadera, forestal, industrial, minera o turística: - Estancias agrícola/ganaderas. - Complejos hoteleros. - Aduanas en zonas fronterizas. - Puestos de Gendarmería nacional. - Seccionales de guardaparques. - Refugios de montaña. - Campamentos viales, mineros, forestales, etc. - Poblaciones rurales. - Pobladores particulares.

El aprovechamiento hidráulico de los ríos, se basa en el principio fundamental de que la velocidad del flujo de estos es básicamente constante a lo largo de su cauce. Pero la energía potencial no se convierte íntegramente en cinética como sucede en el caso de una masa en caída libre, la cual se acelera, sino que ésta es invertida en las llamadas pérdidas, que sucede cuando la energía potencial se “pierde” en vencer las fuerzas de fricción con el suelo, en el transporte de partículas, en formar remolinos, etc. Las Centrales Hidroeléctricas se encargan de evitar estas pérdidas, aprovechando casi toda la energía potencial. A medida que la tecnología ha avanzado, se ha ido perfeccionando la maquinaria para aprovechar mejor el salto de agua en su producción de energía y perder la menor cantidad posible de ésta. En el pasado, con los aparatos primitivos se llegaba a perder hasta el 70% de la energía potencial, mientras que en la actualidad, las turbinas modernas permiten un rendimiento del 85 al 91%.

Sin embargo, se puede aprovechar la energía propia del movimiento del agua para generar energía eléctrica por medio de una gran cantidad de proyectos relacionados con pequeños molinos caseros.

Centrales Hidroeléctricas Las Centrales Hidroeléctricas o Hidráulicas se construyen en los cauces de los ríos, en zonas donde el caudal de 62

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Figura 1

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Figura 2

Uno de los tipos de centrales más comunes son las Centrales de Embalse, que con presas de contención reservan agua en un embalse. Estas centrales permiten aprovechar la energía potencial de la caída del agua entre dos niveles (salto geodésico), que pasa a convertirse en energía cinética. El agua es impulsada a través de la tubería forzada, entrando de este modo en las turbinas hidráulicas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que produce energía mecánica, que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores eléctricos (alternadores). La potencia de una Central Hidroeléctrica es proporcional a la altura del salto y al caudal turbinado, por lo que es muy importante determinar correctamente estas variables para el diseño de las instalaciones, y el tipo y tamaño de los equipos.

Elementos de la Energía Hidroeléctrica

Una masa de agua situada a una determinada altura posee una energía potencia igual al producto de la masa (m), la aceleración de la gravedad (g) y la altura desde donde cae el agua (h), que se transforma en energía cinética al dejarla caer libremente (1/2 mv2). Se entiende como energía hidráulica la energía asociada a las corrientes o saltos de agua, siendo las centrales hidroeléctricas las encargadas de aprovechar esta energía y transformarla en energía eléctrica. Para poder obtener energía eléctrica a partir de la energía asociada con el movimiento del agua son necesarios los siguientes elementos

1) Embalse Un embalse es el lugar donde se almacena el agua (figura 1), y consta de la presa y los desagües. a) Presa. Es una barrera interpuesta en el cauce de un río para retener y almacenar su agua, elevando el nivel considerablemente y regulando e l caudal de salida (figura 2). Atendiendo a la forma de resistir el empuje de la corriente hay dos tipos de presa: presas de gravedad, en las que el empuje del agua se contrarresta con el peso del muro que forma la presa, y presas de bóveda, en forma de arco, con lo que se consigue soportar mejor la presión del agua. Una presa sólo puede retener a un cauce natural, si retuviera un canal sería considerada una balsa.

Figura 3

Las presas de hormigón son las más comunes y según su diseño hay 4 tipos diferentes: Presas de Gravedad, Presas de Contrafuertes, Presas de ArcoBóveda y Presas de Tierrra o Escollera.

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Figura 4

b) Desagües. Son aperturas dispuestas en la pared principal de la presa (figura 3) a través de las cuales se controla la salida del agua. Existen tres tipos de desagües: de superficie, de medio fondo y de fondo.

plificada de una central Hidroeléctrica con sus componentes básicos.

-Desagües de superficie o aliviaderos. Se encuentran en la parte superior de la presa y tienen la función de regular el nivel del agua para evitar el desbordamiento. Pueden ser de tres clases en función del tipo de compuerta utilizada: de compuerta vertical, construida con materiales que resisten la presión del agua (como la chapa reforzada) que se desliza sobre raíles; de compuertas de segmento, que están formadas por una estructura metálica sujeta a un eje de giro cuyo extremo tiene forma de superficie cilíndrica, se utilizan en caudales no muy elevados; y válvulas de retención (clapetas), compuestas de una báscula unida por uno de sus extremos a la parte superior de la compuerta de tal forma que cuando la compuerta desciende se abre y fluye el agua.

Desde las tomas de agua se conduce el agua de la presa hasta estas tuberías de conexión (figura 5) que se encargan de llevar el agua hacia las turbinas.

2) Tuberías de conexión

Están construidas con materiales de gran resistencia como acero, fundición, fibrocemento o plástico reforzado con fibra de vidrio. El diámetro y grosor de las tuberías dependen del caudal de la presa, y se sostienen en el suelo mediante apoyos y con anclajes de hormigón en los cambios de dirección; pueden ser aéreas o subterráneas. Como dijimos, también, hay aliviaderos, comFigura 5

-Desagües de medio fondo. Son desagües que se alimentan a media altura de la presa. -Desagües de fondo. Son desagües situados en la parte inferior de la presa. En la figura 4 podemos apreciar una gráfica sim64

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Figura 6

Figura 7

puertas y válvulas de control. Todas las centrales hidroeléctricas disponen de dispositivos que permiten el paso del agua desde el embalse hasta el cauce del río, aguas abajo, para evitar el peligro por desbordamiento que podrían ocasionar las crecidas. En esos casos es necesario poder evacuar el agua sobrante sin necesidad de que pase por la central (figura 6). 3) Planta transformadora o sala de máquinas Son las instalaciones donde se transforma la energía cinética del agua en energía eléctrica. Las partes que componen una planta transformadora son los elementos de cierre y reguladores y las turbinas (figura 7).

a) Elementos de cierre y reguladores. Son los encargados de impedir o regular la entrada del agua en la planta. b) Turbinas. Los dos tipos más habituales de turbinas hidráulicas son las de acción y las de reacción. -Turbinas de acción. Para hacer girar las aspas se aprovecha sólo la velocidad del agua. Estas turbinas pueden ser de flujo cruzado, de tipo Pelton y otras. La más usada es la turbina Pelton, en la que el agua que empuja los álabes es impulsada por inyectores que regulan el caudal, y se emplea para centrales de pequeño caudal y con un gran salto de agua. Tiene la característica de que admite una amplia variación de caudal, y, en caso de parada, cuenta con un

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deflector de chorro, mecanismo que dirige el agua directamente al desagüe evitando una sobrepresión en la tubería.

Figura 9

-Turbinas de reacción. En estas turbinas el movimiento de los álabes es provocado tanto por la velocidad como por la presión del agua. Hay varios tipos de turbina de reacción: turbina Francis de hélice, Kaplan, etc. La primera turbina de uso hidráulico fue patentada en Francia por Benoit Fourneyron en 1827. De todas las patentadas, actualmente solo se fabrican 4: Pelton (de acción); Francis (de reacción, con alabes fijos); Deriaz (de reacción con alabas orientables) y Kaplan (de reacción, de flujo axial y alabes móviles). Fue el ingeniero ingles John Smeaton quien impulso el desarrollo del uso de la energía hidráulica y en 1880 en Northumberland, Inglaterra, Figura 10 se hizo la primera central hidroeléctrica. La central de Salto Grande en Argentina, por ejemplo (figura 8), posee turbinas tipo Kaplan. En la figura 9 podemos apreciar una pequeña infografía que ejemplifica a estos dos tipos de turbina. 4) Generador y elementos anexos. Los elementos anexos o complementarios son los elementos necesarios para controlar el proceso de generación de corriente eléctrica y regularlo como ser el transformador y el tendido de la línea eléctrica. Los transformadores son el equipo que se encarga de convertir la corriente de baja tensión en una corriente de alta tensión y disminuir la intensidad de la corriente eléctrica. De este modo, se pierde menos energía en su transporte (figura 10). 66

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Líneas de transporte de energía eléctrica: La electricidad producida se transporta por cables de alta tensión a las estaciones de distribución, donde se reduce la tensión mediante transformadores hasta niveles adecuados para los usuarios. Las líneas primarias pueden transmitir electricidad con tensiones de hasta 500.000 volt o más. Las líneas secundarias que van a las viviendas tienen tensiones de 220 o 110 volt.

Tipos de Centrales Hidroeléctricas Las centrales hidroeléctricas se pueden clasificar según sus características orográficas, atendiendo a su estructura o según la potencia que generen.

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Veamos entonces estas clasificaciones a grandes razgos: 1) Según sus características orográficas, las centrales hidráulicas se dividen en centrales fluyentes y centrales con regulación: 1.1) Centrales fluyentes. Están situadas en ríos con un caudal constante, de forma que no requieren la formación de un embalse o éste es de pequeñas dimensiones. La recogida de agua se hace directamente del río y va hacia las turbinas. 1.2) Centrales con regulación. Son las que están situadas en lugares donde es necesario embalsar el agua y provocar un salto elevado de la misma. 2) Según su estructura, se clasifican en centrales por desviación de las aguas y de pie de presa: 2.1)Centrales por desviación de las aguas. En éstas se desvía parte del caudal del río mediante un azud o muro situado transversalmente a la corriente. Con ello se crea un remanso sin necesidad de elevar mucho el nivel del agua. El agua desviada se canaliza con la toma (ensanchamiento en la parte anterior del canal que agiliza la entrada del agua) hasta el canal de derivación, que puede ser a cielo abierto o por tubería. Desde allí se dirige a la cámara de carga o depósito donde se almacena el agua y del que parte la tubería forzada, que lleva el agua hacia la planta transformadora. 2.2)Centrales de pie de presa. Requieren la construcción de una presa que almacene el agua a una altura determinada. Si son de alta o media caída el agua llega a la turbina (generalmente horizontal de impulsión) a gran velocidad, con lo que no es necesario un generador de mucho diámetro. Si son de baja caída se necesitan turbinas de reacción, que son mucho más voluminosas debido al gran caudal de agua que deben hacer pasar y, además, los generadores son también de grandes dimensiones por la poca velocidad del agua. 3.-Según la potencia que generan, se clasifican en minicentrales y macrocentrales:

3.1) Minicentrales hidráulicas. Generan potencias comprendidas entre los 250kW y los 5.000kW. En esta cateogoría también podríamos incluir a los modernos generadores de uso hogareño y también a los de construcción csera o artesanal. 3.2) Macrocentrales o centrales hidráulicas. Se generan potencias superiores a 5.000kW. Por último, un tipo especial de generación es la llamada central de bombeo, en la que el embalse a partir del cual se genera energía hidroeléctrica recibe el agua por bombeo desde otro embalse inferior. Para ello, además de los elementos con los que cuenta una central convencional, es necesario el uso de bombas que eleven el agua. Su principal aplicación es combinándola con una central térmica, nuclear o hidroeléctrica convencional, y se implanta en lugares donde hay un desfase entre la energía generada y la demanda de energía, bien sea porque paralizar la producción de energía es poco rentable (centrales térmicas y nucleares en las que el costo de tiempo y dinero del arranque no es rentable) o porque, si no se evacua el agua, se desbordaría el embalse (centrales hidráulicas). Por ejemplo, a lo largo del día una central puede tener una demanda que sobrepase su capacidad de generación eléctrica, y por la noche, producir más de lo que se consume. Para evitar este desfase, durante la noche la energía sobrante se utiliza para bombear agua a un embalse superior, de tal fortuna que durante el día, con el agua almacenada, se genera la energía necesaria para cubrir el exceso de demanda sin que la central tenga que sobredimensionarse para generaría por sí misma.

Ventajas e Inconvenientes de las Centrales Hidroeléctricas Entre las ventajas que ofrece tanto el uso de la energía hidráulica como de las instalaciones que la acompañan, podemos citar las siguientes: -El proceso de transformación de la energía hidráulica en eléctrica es «limpio», es decir, no pro-

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duce residuos ni da lugar a la emisión de gases o partículas sólidas que pudieran contaminar la atmósfera. -Las presas que se construyen para embalsar el agua permiten regular el caudal del río, evitando de esta forma inundaciones en épocas de crecida y haciendo posible el riego de las tierras bajas en los períodos de escasez de lluvias. -El agua embalsada puede servir para el abastecimiento a ciudades durante largos períodos de tiempo. -Los embalses suelen ser utilizados como zonas de recreo y esparcimiento, donde se pueden practicar una gran cantidad de deportes acuáticos: pesca, remo, vela, etc.

No obstante, la utilización a gran escala de la energía hidráulica también presenta inconvenientes. Entre ellos mencionaremos: -Los embalses de agua anegan extensas zonas de terreno, por lo general muy fértiles y en ocasiones de gran valor ecológico, en los valles de los ríos. Incluso, en algunos casos, han inundado pequeños núcleos de población, cuyos habitantes han tenido que ser trasladados a otras zonas: esto significa un trastorno considerable a nivel humano.

ten vertidos industriales o de alcantarillado, se pueden producir acumulaciones de materia orgánica en el embalse, lo que repercutirá negativamente en la salubridad de sus aguas. -Una posible rotura de la presa de un embalse puede dar lugar a una verdadera catástrofe (ejemplo: presa de Tous, en la provincia de Valencia). -Por último, reseñar la gran dependencia que experimenta la energía hidráulica respecto a las precipitaciones, pues en épocas de sequía es necesario reservar parte del agua embalsada para otros usos no energéticos.

Minicentrales Hidroeléctricas La superficie terrestre está cubierta en un 71% de agua. La energía hidroeléctrica proviene indirectamente de la energía del sol, responsable del ciclo hidrológico natural. La radiación que procede de las fusiones nucleares que se producen en el sol calien-

-Las presas retienen las arenas que arrastra la corriente y que son la causa, a lo largo del tiempo, de la formación de deltas en la desembocadura de los ríos. De esta forma se altera el equilibrio, en perjuicio de los seres vivos (animales y vegetales) existentes en la zona. -Al interrumpirse el curso natural del río, se producen graves alteraciones en la flora y en la fauna fluvial. -Si aguas arriba del río exis68

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tan la superficie terrestre, ríos, lagos y océanos, provocando la evaporación del agua. El aire caliente transporta el agua evaporada en forma de nubes y niebla a distintos puntos del planeta, donde cae nuevamente en forma de lluvia y nieve. Una parte de la energía solar permanece almacenada en el agua de los ríos, los lagos y los glaciares. Las centrales y minicentrales hidroeléctricas transforman esa energía en electricidad, aprovechando la diferencia de desnivel existente entre dos puntos. La energía se transforma primero en energía mecánica en la turbina hidráulica, ésta activa el generador, que transforma en un segundo paso la energía mecánica en energía eléctrica (figura 11). La potencia instalada no constituye el criterio básico para diferenciar una minicentral de una central hidroeléctrica convencional. Una minicentral no es una central convencional a escala reducida. Una turbina de unos cientos de kilovatios tiene un diseño completamente distinto del de otra de unos cientos de megavatios y para producir algunos kilowatt el diseño se simplifica enormemente. Desde el punto de vista de obra civil, una minicentral obedece a principios completamente distintos a las grandes centrales alimentadas por enormes embalses.

Tipos de Minicentrales Hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas, y dentro de ellas las minicentrales hidroeléctricas, están muy condi-

cionadas por las peculiaridades y características que presente el lugar donde vayan a ser ubicadas. Cuando se vaya a poner en marcha una instalación de este tipo hay que tener en cuenta que la topografía del terreno va a influir tanto en la obra civil como en la selección de la maquinaria. Según el emplazamiento de la central hidroeléctrica se realiza la siguiente clasificación general:

-Centrales de agua fluyente. Captan una parte del caudal del río, lo trasladan hacia la central y una vez utilizado, se devuelve al río. -Centrales de pie de presa. Se sitúan debajo de los embalses destinados a usos hidroeléctricos o a otros usos, aprovechando el desnivel creado por la propia presa. -Centrales en canal de riego o de abastecimiento. Central de agua fluyente Es aquel aprovechamiento en el que se desvía parte del agua del río mediante una toma, y a través de canales o conducciones se lleva hasta la central donde será turbinada, figura 12. Una vez obtenida la energía eléctrica el agua desviada es devuelta nuevamente al cauce del río. Dependiendo del emplazamiento donde se sitúe la central será necesario la construcción de todos o sólo algunos de los siguientes elementos:

- Azud. Figura 12

- Toma. - Canal de derivación. - Cámara de carga. - Tubería forzada. - Canal de descarga. - Edificio central y equipamiento electro-mecánico. - Subestación y línea eléctrica.

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Dentro de este grupo hay diversas formas de realizar el proceso de generación de energía. La característica común a todas las centrales de agua fluyente es que dependen directamente de la hidrología, ya que no tienen capacidad de regulación del caudal turbinado y éste es muy variable. Estas centrales cuentan con un salto útil prácticamente constante y su potencia depende directamente del caudal que pasa por el río. En algunos casos se construye una pequeña presa en la toma de agua para elevar el plano de ésta y facilitar su entrada al canal o tubería de derivación. El agua desviada se conduce hasta la cámara de carga, de donde sale la tubería forzada por la que pasa el agua para ser turbinada en el punto más bajo de la central. Para que las pérdidas de carga sean pequeñas y poder mantener la altura hidráulica, los conductos por los que circula el agua desviada se construyen con pequeña pendiente, provocando que la velocidad de circulación del agua sea baja, puesto que la pérdida de carga es proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto implica que en algunos casos, dependiendo de la orografía, la mejor solución sea optar por construir un túnel, acortando el recorrido horizontal. Otros casos que también se incluyen en este grupo, siempre que no exista regulación del caudal turbinado, son las centrales que se sitúan en el curso de un río en el que se ha ganado altura mediante la construcción de una azud, sin necesidad de canal de derivación, cámara de carga ni tubería forzada.

Central de pie de presa Es aquel aprovechamiento en el que existe la posibilidad de construir un embalse en el cauce del río para almacenar las aportaciones de éste, ade70

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más del agua procedente de las lluvias y del deshielo. La característica principal de este tipo de instalaciones es que cuentan con la capacidad de regulación de los caudales de salida del agua, que será turbinada en los momentos que se precise, figura 13. Esta capacidad de controlar el volumen de producción se emplea en general para proporcionar energía durante las horas punta de consumo. La toma de agua de la central se encuentra en la denominada zona útil, que contiene el total de agua que puede ser turbinada. Debajo de la toma se sitúa la denominada zona muerta, que simplemente almacena agua no útil para turbinar. Según la capacidad de agua que tenga la zona útil la regulación puede ser horaria, diaria o semanal. En las minicentrales hidroeléctricas el volumen de almacenado suele ser pequeño, permitiendo por ejemplo producir energía eléctrica un número de horas durante el día, y llenándose el embalse durante la noche. Si la regulación es semanal, se garantiza la producción de electricidad durante el fin de semana, llenándose de nuevo el embalse durante el resto de la semana. También se incluyen en este grupo aquellas centrales situadas en embalses destinados a otros usos, como riegos o abastecimiento de agua en poblaciones. Dependiendo de los fines para los que fue creada la presa, se turbinan los caudales excedentes, los caudales desembalsados para riegos o abastecimientos, e incluso los caudales eco-

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Aquellas que aprovechan el desnivel existente entre el canal y el curso de un río cercano, figura 14. La central en este caso se instala cercana al río y se turbinan las aguas excedentes en el canal. Las obras que hay que realizar en estos tipos de centrales son las siguientes: - Toma en el canal, con un aliviadero que habitualmente es en forma de pico de pato para aumentar así la longitud del aliviadero. - Tubería forzada. - Edificio de la central con el equipamiento electro-mecánico.

lógicos. Las obras e instalaciones necesarias para construir una minicentral al pie de una presa que ya existe son: - Adaptación o construcción de las conducciones de la presa a la minicentral.

- Obra de incorporación al canal o al río, dependiendo del tipo de aprovechamiento. Subestación y línea eléctrica.

Bases de Diseño de un Sistema Hidroeléctrico

- Toma de agua con compuerta y reja. - Tubería forzada hasta la central. - Edificio y equipamiento electromecánico. - Subestación y línea eléctrica.

Central hidroeléctrica en canal de riego Se distinguen dos tipo de centrales dentro de este grupo: Aquellas que utilizan el desnivel existente en el propio canal. Mediante la instalación de una tubería forzada, paralela a la vía rápida del canal de riego, se conduce el agua hasta la central, devolviéndola posteriormente a su curso normal en canal.

La potencia de una pequeña central hidroeléctrica es proporcional a la altura del salto y al caudal turbinado, por lo que es muy importante determinar correctamente estas variables para el diseño de las instalaciones y el dimensionamiento de los equipos. Es fundamental la elección de un caudal de diseño adecuado para definir el equipamiento a instalar, de forma que la energía producida sea la máxima posible en función de la hidrología. Por tanto, el conocimiento del régimen de caudales del río en la zona próxima a la toma de agua es imprescindible para la determinación del caudal de diseño del aprovechamiento. La medición de los caudales del río se realiza

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en las estaciones de aforo, donde se registran los caudales instantáneos que circulan por el tramo del río donde está ubicada la estación y a partir de estos se determinan los caudales máximos, medios y mínimos diarios correspondientes a un gran número de años, con los que se elaboran series temporales agrupadas por años hidrológicos.

Figura 15

Por tanto, en función de la ubicación del proyecto, primeramente se recopilarán las series hidrológicas (de más de 25 años) de las estaciones de aforo existentes en la zona de implantación de la central, con los datos de caudales medios diarios, para realizar el correspondiente estudio hidrológico. No es objeto de este manual profundizar en este tema sino que el lector tenga bases iniciales de conocimiento. En general, hay que realizar un estudio hidrológico teórico, basado en datos de precipitaciones de la zona y en aforos existentes en cuencas semejantes. En este caso, se deben recopilar y analizar las series de datos pluviométricos disponibles, completando los períodos en los que falten datos utilizando métodos de correlación de cuencas, para lo que hay que determinar previamente las características físicas de la cuenca a estudiar, principalmente la superficie y los índices que definen la forma y el relieve de esa superficie. A Clasificación de los años continuación se relacionan las aportaciones de ambas cuencas en función de las precipitaciones hidrológicos, superficies y coeficientes de escorrentía, teniendo en cuenta los índices de compacidad y de pendiente. Con esta relación se obtiene un factor corrector que permite obtener las aportaciones y caudales de la cuenca estudiada, que han sido obtenidas a partir de los datos de una cuenca semejante. Estos datos es conveniente completarlos, además, con medidas directas del caudal en una sección del río a lo largo de al menos un año. 72

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Al final, en todo estudio hidrológico, sea teórico o con datos reales de caudales, se obtendrá una serie anual lo suficientemente grande para realizar una distribución estadística que nos tipifique los años en función de la aportación registrada: “años muy secos, secos, medios, húmedos y muy húmedos (figura 15)”. Una vez obtenida la distribución anterior, se tomará un año medio representativo y se construirá la curva de caudales clasificados de la cuenca estudiada que nos dará el caudal en la toma en función de los días del año en que se supera dicho valor. Caracteriza muy adecuadamente, en términos adimensionales, el régimen hidrológico de un cauce a efectos de su aprovechamiento hidroeléctrico. La curva de caudales clasificados proporciona una valiosa información gráfica sobre el volumen de agua existente, el volumen turbinado y el volumen vertido por servidumbre, mínimo técnico o caudal ecológico. Para elaborar esta curva (representada en el gráfico de la figura 16), hay que calcular los siguientes parámetros: QM: Caudal máximo alcanzado en el año o caudal de crecida. Qm: Caudal mínimo del año o estiaje. Qsr: Caudal de servidumbre que es necesario

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dejar en el río por su cauce normal. Incluye el caudal ecológico y el necesario para otros usos. El caudal ecológico lo fija el Organismo de cuenca, si no se conociera, una primera estimación es considerarlo igual al 10% del caudal medio interanual. Qmt: Caudal mínimo técnico. Es aquel directamente proporcional al caudal de equipamiento con un factor de proporcionalidad “K” que depende del tipo de turbina. Qmt = K * Qe Para una primera aproximación, se tomarán los siguientes valores de “K”: - Para turbinas PELTON: k = 0,10 - Para turbinas KAPLAN: k = 0,25 - Para turbinas SEMIKAPLAN k = 0,40 - Para turbinas FRANCIS k = 0,40 El caudal de equipamiento Qe se elegirá de forma que el volumen turbinado sea máximo, es decir, el área encerrada entre los puntos A, B, C, D, E, A sea máxima (vea la figura 16). Otra forma de determinarlo es, una vez des-

contado el caudal de servidumbre a la curva de caudales clasificados, se elige el caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido entre el Q80 y el Q100 , siendo el Q80 el caudal que circula por el río durante 80 días al año y el Q100 el que circula durante 100 días al año. A veces no se elige el caudal que proporciona mayor producción, ya que hay que tener en cuenta otros factores como pueden ser: la inversión necesaria, instalaciones ya existentes que condicionan el caudal a derivar (por ejemplo, canales, túneles, etc.).

Como puede deducir, las condiciones de diseño no terminan aquí, se debe determinar cuál debe ser el salto neto mínimo de agua para determinar la energía asociada, la potencia necesaria y cuál será el equipo necesario, pero estos temas no los abordaremos ya que nos dedicaremos a indicarles cómo se puede construir un pequeño molino generador de energía Hidroeléctrica. Si Ud. desea profundizar estos conocimientos, puede descargar un curso completo de energía Hidroeléc.crica desde nuestra web: www.webelectronica.com.ar, haciendo click en el ícono password e ingresando la clave “hidrocurso”. También puede visitar las páginas web que han servido como bibliografíaa para la elaboración de este manual técnico. Bibliografía www.iescristobaldemonroy.es www.surehistoria.bligoo.com www.idae.es www.agenergia.org www.buenastareas.com

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