Energía
La energía es la capacidad de realizar trabajo. La energía se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. Esta energía es la que pone en marcha la "maquinaria" de la Tierra. Calienta la atmósfera, los océanos y los continentes, genera los vientos, mueve el ciclo del agua, hace crecer las plantas, proporciona alimento a los animales, e incluso (en un largo período de tiempo) produce los combustibles fósiles.
Recordemos una de las leyes fundamentales de la física sobre la conservación de la energía que nos dice que “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma” La energía es una magnitud cuya unidad de medida en el SI es el Joule (J).
ΔU = Q + W
ΔU= energía interna
Q= energía térmica
W= trabajo
Energía total = Energía potencial + Energía cinética
Energía potencial= mgh
Energía cinética= 1/2 mv2
m= masa del objeto
g= gravedad
h= altura del objeto
v= Velocidad
Clasificación de la Energía
Las Energías Primarias son aquellas que se obtienen directamente de la naturaleza, es decir la energía solar, nergía hidráulica, leña, petróleo crudo, gas natural, carbón mineral, combustibles de origen animal y vegetal.
Las Energías Secundarias son aquellas cuyos productos energéticos provienen de los distintos centros de transformación con destino a los diversos sectores de consumo y/u centros de transformación. Es decir la electricidad, las gasolinas y naftas, el gas licuado de petróleo, diesel, etc.
Las Energías Renovables son aquellas inagotables, limpias (no dañan el ambiente) y se pueden utilizar en el mismo instante que se producen. Además son capaces de regenerarse por medios naturales. Este tipo de energía tiene la ventaja adicional de que pueden complementarse entre sí. Por ejemplo, la energía solar suministra elctricidad los días despejados (por lo general con poco viento, debido al dominio del anticiclón), mientras que en los días fríos y ventosos, frecuentemente nublados, es la energía eólica los que pueden producir mayor energía eléctrica.
Fuentes de energía renovables:- Energía Eólica (viento)
- Energía Solar (sol)
- Energía Hidráulica (ríos y corrientes)
- Energía Undimotriz (olas)
- Energía Mareomotriz (mares y océanos)
- Energía geotérmica (calor de la tierra)
Las Energías No Renovables son aquellas que se encuentran de forma limitada en el planeta y cuya velocidad de consumo es mayor que la de su generación.
Son energías no renovables pues no se pueden utilizar de nuevo en un tiempo corto.
Fuentes de energía no renovables:
-Combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural)
-Energía Nuclear
Energía Solar
Cada día el sol proporciona a la tierra diez mil veces más energía que el consumo cotidiano de todos los seres humanos. La energía solar es la radiación solar que llega a la tierra. El sol ha producido energía hace billones de años. El sol ha producido energía hace billones de años y es el origen de la vida en la tierra.
Los mayores problemas de la energía solar son que: Llega a la tierra de manera intermitente y variable; Se requiere un área grande para recolectarla para un uso eficiente.
La energía solar es una energía renovable y puede ser convertida directa o indirectamente en otras formas de energía como calor y electricidad.
Gracias a esto las ilusiones está puesta en se suscitará un cambio en la tendencia mundial, lo que es indispensable para la conservación de nuestro planeta.
Los procesos de captación de la energía del sol y conversión en energía utilizable por nosotros se pueden representar como sigue:
Los procesos que se realizan en la 'caja negra' son explicados a continuación.
Energía Solar Fotovoltaica
Se llama energía solar fotovoltaica a la manera de obtener energía eléctrica través de placas fotovoltaicas.
El método más utilizado para la captación de energía solar y su posterior conversión en energía eléctrica es el de la conversión fotovoltaica, por medio de células solares. Estas células están elaboradas a base de silicio cristalino puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos, y son capaces de generar cada una de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V, utilizando como materia prima las radiaciones solares. Admiten tanto la radiación directa como la difusa, lo que quiere decir que se puede conseguir energía eléctrica incluso en días nublados. Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado a las aplicaciones eléctricas; los paneles captan la energía solar transformándola directamente en eléctrica en forma de corriente continua, que será preciso almacenar en acumuladores, para, si se desea, poder utilizarla fuera de las horas de luz.
Para ver el funcionamiento de una instalación de energía solar fotovoltaica aislada de red haz click en el siguiente link: www.ercyl.com/energia_solar_fotovoltaica.asp
Fuente: http://www.euitt.upm.es/departamentos/ef/ficheros%20ing%20energia%20renovable/Tema%206-7.pdf
Fuente: http://www.euitt.upm.es/
Partes de una célula solar
– Una oblea de silicio dopada tipo P y a una fina película dopada tipo N
– Una retícula metálica de contacto anterior, que es por donde incide la luz (Suele ser plata)
– Un contacto metálico posterior (Suele ser Aluminio)
– Una fina capa de Tínox antirreflexiva que se aplica sobre la cara anterior
Fuente: http://www.iter.es/I18NLayer.areasiter/es/energiasrenovables/fotovoltaica/fv/solten/(ENERG_315A%20SOLAR%20FOTOVOLTAICA).pdf
Cuánta energía produce un sistema fotovoltaico
El importe total de energía eléctrica originada de un sistema fotovoltaico depende primordialmente de la eficiencia de los módulos y de la irradiación solar, o de la radiación solar incidente.
La radiación solar incidente en la tierra posee un valor variable en función de la distancia entre la Tierra y el Sol, o de la latitud de la localidad donde están instalados los módulos fotovoltaicos. También es importante la inclinación de los módulos: una correcta inclinación influye mucho en la cantidad de energía solar captada y por lo tanto en la cantidad de energía eléctrica producida.
Se calcula aproximadamente que un metro cuadrado de módulos fotovoltaicos de buena calidad, puede producir de media 180 KWh al año (0,35 KWh al día en periodo invernal, y 0,65 KWh. al día en periodo estival.
Ventajas Energía Solar
- El mayor costo es la inversión de la instalación, luego no hay gastos posteriores, es decir el consumo de energía eléctrica es gratuito.
- La instalación con paneles fotovoltaicos es de tipo modular; si aumentan las exigencias de consumo, puede aumentarse el número de paneles sin necesidad de intervención de especialistas.
- No usa combustibles, eliminando la incomodidad de tener que aprovisionarse y el peligro de su almacenamiento.
- La electricidad que se obtiene es en forma de corriente continua y generalmente a bajo voltaje, con lo que se evita el riesgo de accidentes, tan peligrosos en las líneas actuales.
- La energía solar se produce en el mismo lugar donde se consume: no necesita transformadores, ni canalizaciones subterráneas, ni redes de distribución a través de las calles.
- Impacto ambiental nulo: la energía solar no produce desechos, ni residuos, basuras, humos, polvos, vapores, ruidos, olores, etc. Al ser la única energía natural, origen de todas las demás, no contamina la naturaleza, ni descompone el paisaje con torres, postes y líneas eléctricas.
- Resistencia a las condiciones climatológicas más adversas: lluvia, nieve, viento, granizo.
- No necesitan mantenimiento: los paneles solares no tienen piezas móviles y se limpian con la lluvia.
- Es posible el aprovechamiento de las instalaciones convencionales, suministrando corriente alterna a 220 V, mediante el empleo de inversores.
- Las dimensiones de los paneles son muy reducidas, pudiendo instalarse fácilmente sobre el tejado de cada vivienda, con la única precaución de que reciban la luz del sol directamente y sin sombras durante todo el día.
- Ambas energías, solar y eólica, tienen la ventaja de complementarse entre sí. La radiación solar suministra energía los días despejados (por lo general días con poco viento), mientras que los días fríos y ventosos (generalmente nublados) es el viento el que proporciona la energía suficiente para hacer funcionar el aerogenerador.
Rendimiento Energía Solar Actualmente el material más utilizado para los paneles solares es el silicio mono-cristalino, que presenta prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro tipo de silicio:
Silicio Mono-cristalino: Rendimiento energético hasta 15 – 17 %.
Silicio Poli-cristalino: Rendimiento energético hasta 12 – 14 %.
Silicio Amorfo: Rendimiento energético menos del 10 %.
Situación del Mundo
El Sol produce una enorme cantidad de energía: aproximadamente 1,1 x 1020 KiloWatios hora cada segundo (1 KiloWatio hora es la energía necesaria para iluminar una bombilla de 100 Watios durante 10 horas). La atmósfera exterior intercepta aproximadamente la mitad de una billonésima parte de la energía generada por el sol, o aproximadamente 1.5 trillones (1.500.000.000.000.000.000) de KiloWatios hora al año. Sin embargo, debido a la reflexión, dispersión y absorción producida por los gases de la atmósfera, sólo un 47% de esta energía, o aproximadamente 0.7 trillones (700.000.000.000.000.000) de KiloWatios hora alcanzan la superficie de la tierra.
La cantidad de energía que se consume en el mundo anualmente es aproximadamente 85 billones (85.000.000.000.000) de KiloWatios hora. Esto es lo que se puede medir, es decir la energía que se compra, vende o comercializa. La energía total consumida por el mundo significaría sólo 1/7.000 de la energía solar que incide sobre la superficie de la tierra cada año
A pesar de todos los beneficios que trae utilizar energía solar el uso de la tecnología de paneles solares, solo representa menos del 0,5% de la energía total generada.
Los calentadores solares planos son una de las tecnologías solares más simples, más probadas y que tiene un gran potencial de aplicación en todo el mundo. Uno de los casos más relevantes es el de Israel, donde se usa la energía solar para calentamiento de agua desde hace más de 50 años y donde, a partir de 1980, la legislación hizo obligatoria la instalación de sistemas solares para calentamiento de agua en todas las construcciones residenciales nuevas.
Hoy en día, la tecnología solar térmica experimenta un fuerte crecimiento en Europa. Desde 1993, se tiene un crecimiento de 14.8% anual en el área instalada de colectores solares planos. Tres países, Alemania, Grecia y Austria, se destacan de los demás. En 1998, estos países instalaron más de 150,000m2 de colectores solares. Alemania es el líder, ya que instaló en el año mencionado 470,000m2, en más de 50,000 instalaciones colectivas e individuales para calentamiento de agua. En términos relativos, es decir, número de colectores solares por cada mil habitantes, Grecia y Austria superan a Alemania.
Radiación Solar
La radiación solar es se transmite como ondas electromagnéticas desde el sol. La radiación solar se distribuye desde el espectro infrarrojo hasta el ultravioleta, pasando por la luz visible.
Constitución del Sol: 70 % H, 28 % He, 2% átomos Pesados
La temperatura del sol disminuye del núcleo a la superficie.
Temperatura de la superficie: 6.000°C.
Temperatura del centro: 15.000.000°C.
La radiación solar se transmite como ondas electromagnéticas.
Componentes de la radiación solar:
- Ultravioleta = 4% (0,28m)
- Visible = 44% (0,4 a 0,7m)
- Infrarrojo = 52% (0,7 a 4m)
A continuacion se presenta un esquema donde se presenta todo el espectro electromagnético.
Fuente: http://www.ugr.es/~quiored/espec/img/intro_01.gif
La Radiación solar global o de onda corta, puede ser de 2 formas:
-Radiación Directa
-Radiación Difusa
Día despejado = 90% R. Directa + 10% R. Difusa
Día nublado = 100% R. Difusa
Radiación Global (Rg) = R. Directa + R. Difusa
Radiación global diaria : Radiación solar que llega en un día a la superficie terrestre
Ley de Stefan-Boltzmann
De acuerdo con esta ley, toda materia que se encuentra a una temperatura finita emite una radiación térmica, es decir: la energía emitida por un cuerpo en la unidad de área durante una unidad de tiempo, es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta.
Q = εσT4
ε: emisividad
σ: Constante de Steffan-Boltzman
Ley de Wien
Esta ley dice que la longitud de onda de la emisión máxima de un cuerpo, es inversamente proporcional a su temperatura.
max λ= 2897/T
Ley del coseno
La intensidad de la radiación sobre un plano decrece en forma proporcional al coseno del ángulo de incidencia en relación a la normal.
QA S= cos(Z)= S sin(α)
cos(Z) = sin(φ ) sin(δ ) + cos(φ ) cos(δ ) cos(h)
Constante Solar
El flujo de energía solar que llega al exterior de la atmósfera es una cantidad fija. Su valor es de alrededor de 1,4 · 103 W/m2 (1354 W/m2 cuadrado según unos autores, 1370 W·m-2 según otros), lo que significa que a 1m2 situado en la parte externa de la atmósfera, perpendicular a la línea que une la Tierra al Sol, le llegan algo menos que 1,4 · 103 J cada segundo. Es decir es la cantidad de energía que incide en forma perpendicular en el borde externo de la atmósfera.
La distancia media Tierra-Sol = 1,5 *108 KmFactores que afectan la cantidad de radiación solar
-Geográficos:
-Latitud
-Exposición
-Inclinación del Suelo
-Atmosféricos:
-Atmósfera (Nubosidad)
-Partículas en Suspensión (naturales y antrópicas)
-Otros
-Estación del Año
-Hora del Día
