DISTRIBUCIN GRATUITACONVENIO ENTRE MINISTERIO DE ENERGA Y MINAS, WORLD WILDLIFE FUND Y FUNDACIN NATURA Quito, abril 2004

CrditosMINISTERIO DE ENERGA Y MINAS Carlos Arboleda Ministro de Energa y Minas Remigio Maldonado Subsecretario de Electrificacin Jorge lava F. Director de Energas Renovables y Eficiencia Energtica WORLD WILDLIFE FUND Elicer Cruz Director Ecorregional Programa Galpagos-WWF FUNDACIN NATURA Xavier Bustamante B. DIRECTOR EJECUTIVO NACIONAL Equipo de apoyo Amparo Castillo Mara Fernanda Garca Alexandra Garzn Edicin Irma Larrea Oa Revisin y actualizacin al ao 2004 Irma Larrea Oa Santiago J. Snchez Mio Diseo Grfico y Diagramacin Soho Design S.A. Impresin AH/editorial 022559732/35 Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF, por sus siglas en ingls) y Fundacin Natura. Financiado porDerechos de autor No. 018028 ISBN-9978-58-128-6 Este documento debe citarse de la siguiente manera: WWF, Fundacin Natura. Texto de Consulta: ENERGAS RENOVABLES:CONCEPTOS Y APLICACIONES. Quito, Abril,2004.Segunda edicin. Se debe citar la fuente en todos los casos. Fragmentos de este producto pueden ser traducidos y reproducidos sin permiso siempre que se identifique la fuente. La traduccin o reproduccin total de este documento para fines didcticos est permitida siempre que el WWF, la Fundacin Natura y el MEM sean notificados con anticipacin.

Investigacin tcnica y elaboracin Santiago J. Snchez Mio Asesoramiento tcnico Cecilia Falcon Coordinadora Proyecto de Monitoreo de Galpagos. Fundacin Natura. Irma Larrea Oa Coordinadora Iniciativa de Energas Renovables para las Islas Galpagos,WWF. Luis Montoya Andrade Consultor. Supervisin Ruth Elena Ruiz L. Directora. Ecosistemas Naturales y Biodiversidad. Fundacin Natura.

Preparado por

Ministerio de Energa y Minas (MEM),WWF y Toyota Motor Sales

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PresentacinEl archipilago Galpagos es un rea reconocida en el mundo por su riqueza e importancia biolgica. Esta provincia,declarada Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO en 1978, es el centro de la preocupacin de varias organizaciones ambientalistas nacionales e internacionales; la conservacin y el manejo adecuado de los recursos en las Galpagos es tambin una de las prioridades de la autoridad ambiental del Ecuador y de otras instancias del Estado ecuatoriano. Debido a la importancia biolgica de las islas Galpagos y respondiendo a los compromisos adquiridos al suscribir la Declaracin de Ro sobre Ambiente y Desarrollo y el Protocolo de Kioto sobre Cambio Climtico el Ministerio de Energa y Minas, en cooperacin con el Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF, por sus siglas en ingls) y la Fundacin Natura, integraron esfuerzos para impulsar una campaa de promocin del uso de energas provenientes de fuentes renovables en el Archipilago mediante la capacitacin a facilitadores y potenciales usuarios. El Ministerio de Energa y Minas propicia e impulsa la organizacin, desarrollo y ejecucin de programas de energa, mediante la utilizacin de recursos energticos no convencionales. El Proyecto de Electrificacin Renovable de las islas Galpagos, que desarrollar el Ministerio de Energa y Minas, pretende sustituir el 70% de la generacin termoelctrica actual por otra proveniente de fuentes renovables con la finalidad de disminuir los riesgos asociados al transporte de combustibles fsiles e incrementar la autonoma energtica de las islas Galpagos, reduciendo los subsidios a la generacin, las emisiones de gases de efecto invernadero y fortaleciendo las capacidades locales en el manejo de nuevas tecnologas limpias. El WWF ha trabajado, desde su fundacin en 1962,con socios locales, as como comunidades y gobiernos locales, para garantizar que las Galpagos se mantengan libres de daos ecolgicos y como tesoro de la evolucin. En octubre de 2001, el WWF present pblicamente la propuesta Visin para el Desarrollo e Implementacin de Energas Renovables en las Islas Galpagos.* Esta iniciativa, que propone medidas regulatorias, tcnicas, econmicas y de manejo ambiental para los sectores de generacin de energa elctrica, transporte , pesca y turismo, busca lograr, en el lapso de 10 aos, un sistema integrado de energas sustentables (renovables) que utilice las tecnologas disponibles ms avanzadas, a la vez que permita el mejoramiento continuo acorde con las tecnologas del futuro. Para la ejecucin de la Iniciativa de Energas Renovables para las Islas Galpagos, el WWF estableci una alianza estratgica con su asociada en el Ecuador, la Fundacin Natura, ONG ambientalista ecuatoriana de reconocida trayectoria, que tiene inters en promover el uso de energas renovables en el territorio nacional y de manera especial en Galpagos. La Fundacin Natura ha trabajado en las Galpagos desde hace ms de siete aos, principalmente en la generacin, recopilacin y distribucin de informacin biolgica y socioeconmica, siendo poseedora de un pro-

* N.E.En

el texto: Iniciativa de Energas Renovables para las Islas Galpagos .

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fundo conocimiento de la sociedad, las instituciones, la situacin ambiental, social y econmica de las Islas. El WWF y la Fundacin Natura aspiran a establecer alianzas con todos los sectores y organizaciones interesados en las energas renovables en el Archipilago. Teniendo en cuenta que son los maestros y maestras quienes lideran y promueven la transformacin de los hbitos en la cotidianidad del aula, hemos preparado, en colaboracin con los docentes de la provincia y los tcnicos del Ministerio de Energa y Minas, un paquete de materiales constituido por el texto de consulta cientfica Energas Renovables: Conceptos y Aplicaciones; la Gua para docentes de bachillerato Aprendamos sobre Energas Renovables; las fichas para trabajo en el aula, el CD como fondo bibliogrfico y el afiche Galpagos: Energas del Futuro. Este material, busca incentivar a los docentes de Galpagos a participar en la campaa de promocin y uso de energas renovables, que adems de ser una muestra significativa de compromiso con la conservacin de las Islas y de voluntad para el cambio, representa un reto por la dedicacin de horas-clase a un tema trascendental para la provincia. Es el cuerpo docente quien a travs del uso y la adaptacin de estos materiales podr validar su contenido y enriquecerlo para las prximas ediciones. Al igual que los materiales del Programa de Uso Racional de la Energa Guardin de Luz, este paquete demuestra que existen diferentes maneras de producir energa, y que la generacin de cada una de ellas tiene un costo econmico y un impacto ambiental diferente. Esperamos que en el futuro nuestros nios y jvenes estn preparados para debatir y seleccionar la alternativa energtica ms conveniente para el pas. Creemos firmemente que este esfuerzo nos ayudar a conservar nuestros valiosos recursos energticos para las futuras generaciones.

Carlos Arboleda Ministro de Energa y Minas MINISTERIO DE ENERGIA Y MINAS Elicer Cruz Director Ecorregional PROGRAMA GALPAGOS - WWF Xavier Bustamante B. Director Ejecutivo Nacional FUNDACIN NATURA

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AgradecimientosLa ejecucin de la campaa de educacin sobre energas renovables, que forma parte de la Iniciati va de Energas Renovables para las Islas Galpagos, es posible gracias al apoyo decidido del Ministerio de Energa y Minas (MEM) que adems de suscribir, en noviembre de 2002, el convenio de cooperacin con el WWF y la Fundacin Natura, ha puesto a disposicin del proyecto el conocimiento y la experiencia en el rea energtica de sus funcionarios. Queremos agradecer tambin a la Direccin Provincial de Educacin de Galpagos (DPE-G) y a sus funcionarios por su trabajo decidido para involucrar a los maestros secundarios en la capacitacin sobre temas relacionados al uso racional de la energa y a la promocin y uso de energas renovables. Especial mencin merecen la Licenciada Mara Salcedo, ex Directora Provincial de Educacin de Galpagos; el Doctor Emilio Carrillo, actual Director Provincial de Educacin de Galpagos; la Licenciada Kory Falcon, Jefe de Planeamiento; y el Licenciado Clemente Vallejo, Jefe Provincial de Supervisin. Finalmente, agradecemos a todas las personas que participaron en los talleres de validacin de contenidos y de lectura crtica de imagen de los materiales en San Cristbal y Quito en el mes de Abril, 2003 por sus valiosos aportes.

EN SAN CRISTBAL Clemente Vallejo Kory Falcon Mara Eugenia Martnez Alba Moreno Lozano Fabiola Pincay Snchez Jackeline Mayorga Ramiro Caldern Edison Saltos Vlez Wilma Camacho Mariana Rojas Rosario Fernndez Edilberto Caiza Clara Paspuel Polo G. Carrera Jorge Guerra Jos Peralta Pablo Chicaiza DPE-G DPE-G DPE-G DPE-G DPE-G DPE-G DPE-G Unidad Educativa Pedro Pablo Andrade Unidad Educativa Pedro Pablo Andrade UNE, REI-G Escuela Alejandro Alvear Escuela Alejandro Alvear Instituto Tcnico Superior Alejandro Humboldt Instituto Tcnico Superior Alejandro Humboldt Instituto Tcnico Superior Alejandro Humboldt Instituto Tcnico Superior Alejandro Humboldt Instituto Tcnico Superior Alejandro Humboldt

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Agradecimientos

Byron Fernndez Alfredo Mediavilla Jacqueline Moreira Consuelo Moreira Sandra Alba Lourdes Fonseca Jorge Sotomayor Rosario Boned Anne Lukosus Juan Galarza

Instituto Tcnico Superior Alejandro Humboldt Instituto Tcnico Superior Alejandro Humboldt Liceo Naval Galpagos Liceo Naval Galpagos Liceo Naval Galpagos Colegio Ignacio Hernndez Parque Nacional Galpagos Proyecto Araucaria Fundacin Charles Darwin Ministerio de Energa y Minas

EN QUITO Clemente Vallejo Kory Falcon Enrique Torres Mara Salcedo Wilma Camacho Xavier Gmez Marlene Palacios Mnica Molina Alvaro Morales Pablo Barriga Paz DPE-G DPE-G Colegio Galpagos Supervisora Provincial, DPE-G Unin Nacional de Educadores de Galpagos MEM MEM MEM MEM FUNDAR

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IndiceINTRODUCCION CAPTULO 1: ENERGA Definicin de Energa Energa Potencial y Energa Cintica Formas de la Energa Eficiencia Energtica Potencia y Energa Voltaje Corriente Resistencia Ley de Ohm CAPTULO 2: FUENTES DE ENERGA Historia La Energa en el Mundo La Energa en el Ecuador Clasificacin de las Fuentes de Energa CAPTULO 3: ENERGAS NO RENOVABLES Gas Natural Petrleo Carbn Energa Nuclear CAPTULO 4: CONTAMINACINAMBIENTAL Calentamiento Global Efectos de las Emisiones CAPTULO 5: EL SOL Energa Solar Radiacin Solar El Espectro Electromagntico Radiacin Solar en el Ecuador Aplicaciones de la Energa Solar CAPTULO 6:ELECTRICIDAD DEL SOL Estructura del tomo Efecto Fotoelctrico Funcionamiento de la Celda Solar Unin n-p Efecto de la Luz en la Unin n-p Circuito Equivalente de la Celda Solar Curva Corriente-Voltaje de la Celda Solar Efectos de la Radiacin y la Temperatura Eficiencia de la Celda Solar Tipos de Celdas Solares Conexin de Celdas Solares Sistema Solar Residencial Controlador de Carga Banco de Bateras Inversor 1 3 3 5 7 7 8 9 9 9 9 11 12 12 14 15 17 19 20 20 21 23 24 25 27 28 29 31 36 38 39 40 42 42 45 46 48 48 50 51 52 53 54 56 56 57vii

Grupo Electrgeno o Respaldo de Energa Adicional Centros de Carga o Tableros Elctricos Otros Accesorios y Equipos Medidores Cableado Conexin a Tierra Pararrayos Iluminacin Aparatos Elctricos Diseo de un Sistema Solar Residencial Procedimiento Disponibilidad del recurso Datos de radiacin solar Estudio de carga Dimensionamiento de los equipos Costos Integracin de los Sistemas Fotovoltaicos Sistemas Aislados Sistemas Conectados a la Red Centrales Solares de Generacin CAPTULO 7:CALENTAMIENTO SOLAR Conceptos Bsicos de Termodinmica Calor y Temperatura Calor Especfico Primera Ley de la Termodinmica Segunda Ley de la Termodinmica Formas de Transferencia de Calor Conduccin Conveccin Radiacin Colectores Solares Funcionamiento del Colector Solar Orientacin e Inclinacin del Colector Eficiencia del Colector Solar Plano Absortividad y Superficies Selectivas Radiacin Crtica Caudal de Agua rea del Colector y Calor til Sistemas de Calentamiento de Agua con Colectores Solares Termosifn Sistema de Bomba Diseo de Sistemas de Calentamiento Solar Demanda de Agua Caliente Produccin Energtica Anual del Colector Demanda Energtica Anual rea del Colector Tanque de Almacenamiento Bomba y Sistema de Control Calentamiento de Agua para Piscinas

57 57 58 58 58 58 58 58 58 59 59 60 61 61 63 68 70 70 72 73 75 76 76 76 76 78 79 79 80 80 80 81 84 85 86 87 87 87 89 89 90 92 92 92 93 93 94 95 96

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Otros Usos del Calentamiento Solar Secado de Granos Desalinizacin de Agua Cocinas Solares Arquitectura Solar Pasiva CAPTULO 8:LA ENERGA DEL VIENTO Pasado y Presente La Fuerza del Viento Origen de los Vientos Potencia del Viento Densidad del Aire, Presin y Temperatura Tipos de Aerogeneradores Funcionamiento del Aerogenerador Fuerzas sobre la Pala ngulo de Ataque Potencia del Aerogenerador Energa del Viento Estacin de Medicin del Viento Velocidad y Clase del Viento Intervalo de Mediciones Rugosidad del Terreno Distribucin de Weibull Curva de Potencia del Aerogenerador Clculo de la Produccin de Energa de un Aerogenerador Sistema Elico Residencial Bombeo de Agua CAPTULO 9:BIOENERGA Introduccin Biomasa La Fotosntesis Caractersticas de la Biomasa Utilizacin de la Biomasa Biofuerza Combustin Directa Combustin Mixta Gasificacin Digestin Anaerbica Produccin de Metano Factores que Afectan la Produccin de Metano Tipos de Digestores Uso del Biogs: Calor y Electricidad Diseo y Capacidad del Biodigestor Biocombustibles Etanol Biodiesel

96 97 98 98 98 101 102 103 103 104 106 107 109 109 110 112 115 115 115 116 119 120 122 122 124 126 127 128 129 130 131 133 133 133 133 133 136 137 137 139 143 143 149 150 151

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CAPTULO 10: OTRAS TECNOLOGAS Hidroelectricidad Potencial Hidroelctrico Tipos de Turbinas Instalaciones Medicin de Caudal Aplicaciones en el Ecuador Energa Geotrmica El Hidrgeno La Energa del Futuro? La Celda de Hidrgeno o Celda de Combustible Aplicaciones del Hidrgeno como Combustible Produccin y Almacenamiento del Hidrgeno El Siglo XXI: el Siglo del Hidrgeno La Energa del Mar Energa de las Olas Fuerza Mareomotriz Energa Ocano Trmica Medios de Almacenamiento de Energa CAPTULO 11: HACIA UNA POLTICA ENERGTICA INTEGRAL EN EL ECUADOR Dependencia e Independencia Energtica Nueva Estructura del Sector Elctrico Integracin del Usuario Basura y Transporte Eliminacin de Barreras a las Energas Renovables Financiamiento Aspectos Legales El Dilema del Futuro: Energas Renovables o Fin BIBLIOGRAFA SITIOS INTERNET NDICE DE MATERIAS GLOSARIO

153 154 155 155 156 157 158 159 160 160 162 163 165 165 165 166 167 167

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

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Por todas estas consideraciones, es importante hacer varias reflexiones: hasta dnde llegar la civilizacin en el uso libre e ilimitado de la energa?,hasta cundo podr la Tierra proveernos de los recursos necesarios para que este mecanismo siga funcionando?, qu efectos ocasiona el consumo de la energa y qu alternativas existen para reducir la dependencia de los combustibles fsiles?, existen otras formas de generacin, produccin y distribucin de energa elctrica? A travs de este texto de referencia de energas renovables se busca introducir de una manera general el tema de la energa, sus caractersticas, propiedades, sus diferentes formas, aplicaciones, restricciones y consecuencias. Adems, se pretende hacer un primer acercamiento a las energas renovables, evidenciando sus ventajas y desventajas, su posibilidad de aplicacin de diferentes sitios y haciendo una comparacin con las energas tradicionales. El alcance de este texto no pretende ser exhaustivo sino ms bien prctico en cuanto al conocimiento general de las energas renovables y su aplicacin. Igualmente, a lo largo del texto se citan referencias de sitios Web o bibliografa relacionada al tema de cada captulo. Finalmente, y para hacer ms completo el conocimiento del tema de un captulo, se presentan ejemplos de aplicacin de la teora a fin de familiarizar al lector con los conceptos descritos, las magnitudes, los problemas prcticos y las posibilidades de aplicacin en casos especficos.

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Energacaptulo 1

EnergaLa naturaleza es un gran reservorio de almacenamiento de energa, a travs de las plantas, los animales y todos los elementos, ya sean estos vivos o inanimados. Podemos citar varios ejemplos. Si vemos una cada de agua y la fuerza con que esa masa choca con la base del ro nos impresionamos por la energa que se produce. En una tormenta de rayos nos mantenemos temerosos por la energa que tiene un rayo y los daos que puede ocasionar. Un huracn nos muestra la gran energa que los vientos pueden producir en la tierra o en el mar. Las olas al chocar con toda su fuerza en un acantilado o al llegar a la playa nos mantienen alejados. Qu decir de la energa que libera un volcn al erupcionar o cuando despierta de su letargo con una explosin de lava y ceniza. Al ver el Sol y esas imgenes de explosiones de miles de kilmetros que se producen en la superficie podemos imaginarnos la cantidad de energa que se genera y que a pesar de la distancia, llega a la Tierra.

Asimismo, los seres humanos son un mecanismo que transforma la energa de los alimentos para sobrevivir. Cuando una persona est decada o cansada decimos que no tiene energa. La energa se asocia, entonces, con el movimiento, la actividad, o la fuerza vinculada a la actividad que podra generarse.

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

W = F.dF= d= W= Fuerza, y se mide en Newtons. recordemos que la fuerza a su vez es una masa por una aceleracin, es decir [N] = [kg.m/s2] Distancia, y se mide en metros [m] Trabajo, y la unidad es el Joule [J] = [N.m]

(1.1)

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Energa - captulo 1

La energa se define como la capacidad para producir trabajo.1 De aqu que la unidad de la energa es la misma que la del trabajo, el Joule [J]. Si jugamos un poco con las unidades J = kg m/s 2. m = kg . m 2/s2 ; como velocidad es igual a distancia sobre tiempo v = m/s, entonces J = kg. v2. Fue Albert Einstein (18791955) quien descubri que esta velocidad no es otra que la de la luz y dedujo su famosa frmula:

E = m.c 2E = m = c =

(1.2)

Energa, y se mide en Joules [J] Masa, y se mide en kilogramos [kg] Velocidad de la luz, y se mide en [m/s] igual a 3,0 x 108 m/s

Esta frmula nos muestra que la energa y la materia son intercambiables, siempre y cuando se produzca a la velocidad de la luz. El cientfico ingls Thomas Young (17731829) introdujo por primera vez el trmino energa tomando la palabra griega energeia, que quiere decir eficacia. El agua al caer puede mover la rueda de un molino o una turbina que produce un movimiento. Este movimiento permite moler los granos entre dos ruedas de piedra o mover un generador elctrico. El trabajo final es el resultado de la liberacin de energa. Por ejemplo, en el caso de un motor de combustin interna la energa proviene del combustible que se quema, mientras que el motor es un mecanismo que permite realizar un trabajo.

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

lo general esta definicin se aplica a la materia,a pesar de que tambin sabemos que existe la energa squica o mental,que an no sabemos cmo aprovecharla,pero hay evidencias de personas que con su mente pueden doblar metales o mover objetos,es decir estn efectuando un trabajo. Qu tipo de energa es sta y quin nos asegura que en el futuro no podamos aprovechar de esta energa no material en las mquinas?

1 Por

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Por su parte, la energa potencial est relacionada con la masa, la altura, y la aceleracin de la gravedad y se representa por la frmula:

Ep = m.g.hEp m g h = = = = Energa potencial, y se mide en Joules [J] Masa, y se mide en kilogramos [kg] Aceleracin de la gravedad, y se mide en m/s2. En la Tierra es igual a 9,81 m/s2 Altura a la que est ubicada la masa, y se mide en metros [m]

(1.3)

Verifiquemos las dimensiones, ya que debe darnos Joules: kg.m/s2.m = kg.m2/s2 = N.m = J Es importante tomar en cuenta que la energa de una planta, un animal o un combustible no es energa potencial, sino energa qumica, como veremos ms adelante. La masa de agua que fluye en un ro a cierta velocidad, la masa de aire que impacta en un molino de viento o el vapor que mueve una turbina tienen una energa cintica. Es decir, energa en movimiento que es la que efectivamente produce el trabajo. Para producir esta energa debemos llevar la masa desde su posicin de reposo a la de movimiento mediante la accin de una fuerza. Esa fuerza no se transfiere instantneamente sino que ha debido tomar un tiempo. En reposo la velocidad es cero (velocidad inicial v0) para llegar luego de un tiempo a una velocidad mxima (velocidad final vf). Si queremos encontrar la energa en un momento determinado deberamos tomar la velocidad media v=1/2 (v0 + v f). Como energa es masa por velocidad al cuadrado, la energa cintica es:

Ec = 1/2 m.v 2Ec = m = v =

(1.4)

Energa cintica, y se mide en Joules [J] Masa, y se mide en kilogramos [kg] Velocidad, y se mide en m/s

La energa de un cuerpo en un momento determinado es la suma de su energa potencial ms su energa cintica. Mientras el agua est en el embalse tiene una energa potencial mxima. A medida que cae, va reduciendo su energa potencial y aumentando su energa cintica y al impacto con la turbina, la energa cintica es mxima y la potencial mnima.

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Energa - captulo 1

Formas de la EnergaLa energa se manifiesta de las siguientes formas:

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

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== W = E =

W E

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Eficiencia (adimensional) Trabajo resultante del proceso, y se mide en Joules [J] Energa introducida en el proceso, y se mide en Joules [J]

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

P=P = E = t =

E t

(1.6)

Potencia, y se mide en vatios [W] Energa, y se mide en Joules [J] Tiempo, y se mide en segundos [s]

La potencia es la energa en una unidad de tiempo. La planilla de consumo elctrico viene dada en kilovatios-hora [kWh], es decir que pagamos por el tiempo que nuestros focos y electrodomsticos estn conectados. Generalmente, en los sistemas energticos se toma el tiempo como de una hora, y as energa y potencia tienen las mismas magnitudes.

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Energa - captulo 1

VoltajeOtra definicin dice que la potencia es igual al voltaje por la corriente:

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

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

Fig. 1.1 Fuerza Electromotriz o Voltaje

Hay voltajes en corriente continua y corriente alterna, como veremos ms adelante. Una pila tiene 1,5 voltios de corriente continua; y una batera 12 V de corriente continua. Los niveles de voltaje normalizados para electrodomsticos en el Ecuador son de 121 V y 210 V de corriente alterna o CA o AC,2 esto es el nivel de bajo voltaje. Las lneas elctricas de las ciudades tienen voltajes medios de 6.300 V, 13.800V, 22.800V y 35.400 V. Los altos voltajes son de 69.000, 138.000 y 230.000 voltios. Si tenemos un alto voltaje la corriente puede llegar ms lejos a las ciudades.2

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

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CorrienteLa corriente elctrica es un flujo de electrones en un circuito elctrico y se mide en amperios que se representa por la letra [A]. El nmero de electrones que circulan determina la cantidad de corriente. Un amperio es un culombio durante un segundo, y un culombio es 6,24 x 1018 electrones. Hay dos tipos de corriente: corriente continua y corriente alterna. Una pila tiene corriente continua es decir que se mantiene en el mismo sentido durante todo el tiempo. La corriente alterna cambia de sentido en el tiempo, es decir que es positiva y luego negativa. Los motores, transformadores y generadores funcionan con corriente alterna y es la que usamos en nuestras casas. La ventaja de la corriente alterna es que permite elevar los niveles de voltaje en un transformador elctrico para llevar la corriente a mayores distancias. La cantidad de veces que la corriente cambia de sentido en un segundo se conoce como frecuencia y se mide en Hertz o [Hz]. En Ecuador y en la mayora de pases del continente americano la frecuencia estandarizada es de 60 Hz, mientras que en Europa y Japn es de 50 Hz.

Fig. 1.2 Corriente Continua y Corriente Alterna

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

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

V = I.R

(1.8)

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Fuentes de Energacaptulo 2

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

La Energa en el MundoEn el ao 2001, el consumo mundial de energa segn OLADE3 fue de 69.271 millones de barriles equivalentes de petrleo (MBEP). Un barril de petrleo equivale a 0,00581 Terajoules (1x1012 Joules). Comparando la produccin y el consumo de energa por regiones geogrficas se obtienen los porcentajes de la tabla 2.1.

Tabla. 2.1 Produccin y Consumo Mundial de Petrleo 2001

3 OLADE,Organizacin

Latinoamericana de Energa.

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Fuentes de Energa - capitulo 2

Fig. 2.1 Consumo de Energa Mundial en Toneladas Equivalentes de Petrleo, Ao 2001.

El mapa del mundo de la fig. 2.1 muestra el consumo por habitante en TEP (toneladas equivalentes de petrleo) del ao 2001 para las diferentes regiones.4 Como se puede apreciar, el hemisferio norte tiene el mayor consumo, mientras que Ecuador tiene menos de 1 TEP por habitante por ao.

La produccin mundial de energa de 70.101 MBEP por fuente para el ao 2001 fue de:

Tabla 2.2 Produccin Mundial de Energa, 2001.

La potencia instalada mundial de energa elctrica al ao 2001 fue de 3.343,5 GW (Gigavatios, 1 GW = 1 x 109 W = 1 x 106 kW), mientras que la energa generada fue de 14.671 TWh (Teravatios hora, 1 TW = 1 x 1012 W). La distribucin de la potencia se presenta en la tabla 2.3.

Tabla 2.3 Capacidad elctrica instalada mundial, 2001.

4

BPStatistical Review of World Energy 2002. 13

La Energa en el EcuadorEn el ao 2001, segn datos de OLADE para Ecuador, el consumo final de energa en todas sus formas fue de 47,4 MBEP, y solo para electricidad de 8.104 GWh. Esto representa un consumo de 667 kWh/habitante por ao. Este ndice se ha utilizado tradicionalmente para determinar el nivel de desarrollo de los pases, pues se supone que un mayor consumo por habitante implica un mayor grado de desarrollo industrial. Sin embargo, en la regin latinoamericana los pases de El Caribe sin ser los de mayor desarrollo tienen un alto ndice de consumo, seguidos por los del cono sur, los andinos y los de Amrica Central, a excepcin de Mxico y Costa Rica, que tienen valores altos. Un hogar en los Estados Unidos consume en promedio 12.000 kWh/ao, mientras que uno europeo, 5.000 a 7.000 kWh/ao. La potencia elctrica efectiva instalada en Ecuador al ao 2001 fue de 3.350 MW. El 51% corresponde a centrales de generacin hidrulica y el resto a centrales trmicas que queman combustibles fsiles. En el ao 2001 las reservas probadas de petrleo en el Ecuador fueron de 4.630 MBEP, y la produccin de 407.500 barriles por da, con lo cual se estimara que, de mantenerse la tendencia pasada, el Ecuador dispondra de 31 aos ms de este recurso. El potencial energtico del Ecuador proveniente de fuentes de energas renovables convencionales (hidroelectricidad) y no convencionales, se muestra en la Tabla 2.4 a continuacin. Parte de estos datos han sido tomados de varias fuentes5 y otros han sido estimados:6

Tabla 2.4 Potencial Enrgetico de las Energas Renovables en el Ecuador, 2001Fuentes:CONELEC, Plan Nacional de Electrificacin 2002-2011. El potencial de energa solar asume la instalacin de 5m2 por cada hectrea (10.000 m 2) en el ter ritorio del pas (276.840 km2) y un nivel de radiacin solar de 4 kWh /m2/ da durante 2000 horas al ao. Para el clculo del potencial proveniente del viento, se ha con siderado un total de 12 proyectos de 20 MW (6 en la Sier ra,5 en la Costa y 1 en Galpagos) a una velocidad promedio del viento de 5m/s, con una relacin de 2,27 MWh/MW instalado. Este dato fue tomado de un estudio realizado en la zona de Salinas, provincia de Imbabura. El potencial hidroelctrico fue estimado en base a una relacin de 4.357 MWh/MW obtenido de la energa producida actualmente por las centrales hidroelctricas (ao 2001) y la potencia instalada.5 6

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Fuentes de Energa - capitulo 2

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

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

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

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Energas No Renovablescaptulo 3

Energas No RenovablesLos combustibles fsiles se formaron hace ms de trescientos millones de aos, mucho antes de la era de los dinosaurios, por la descomposicin de microorganismos que ocupaban los pantanos y el mar y fueron sepultados bajo capas de lodo, roca y arena de cientos de metros en los sedimentos del mar y los ros. Por efecto del tiempo, del calor de la tierra, de la presin y de la accin de las bacterias, bajo cientos de metros se formaron primero zonas con un lquido espeso que luego se transform en petrleo. El gas natural se form en zonas ms profundas y a mayores temperaturas. Con el paso del tiempo el petrleo y el gas natural fueron subiendo en la capa de la tierra y ubicndose en formaciones rocosas cerradas. Acciones y fuerzas similares actuaron para formar el carbn con la transformacin de residuos muertos de rboles y plantas que se combinaron con agua de ros y mares. Debido al contenido de azufre del agua de mar, el carbn formado con agua de mar tiene un mayor efecto contaminante comparado con el petrleo y el gas. En los ltimos 50 aos el consumo de combustibles fsiles ha crecido en forma significativa utilizndose primero el carbn, luego el petrleo y ahora el gas. Mientras en el ao 1950 el carbn representaba el 62% del consumo total de combustibles fsiles, este se redujo al 28% en 1998. El petrleo tuvo su pico de consumo en 1980 con el 45% del total, mientras que el uso del gas natural ha venido incrementndose en los ltimos aos.

Fuente: Worldwatch Institute.

Figura 3.1: Consumo Mundial de Combustibles Fsiles por Fuente 19501998 (en millones de toneladas equivalente de petrleo MTEP, 1 TEP = 42 GJ)

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Energas No Renovables - captulo 3

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

CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O + ENERGA

Cuando se calienta el gas metano, cada molcula de metano se combina con dos molculas de oxgeno para producir dixido de carbono y agua, y se libera una gran cantidad de energa. El oxgeno es vital en la produccin de energa con combustibles fsiles. Como veremos ms adelante el dixido de carbono en la atmsfera es el mayor causante del calentamiento del planeta. Conviene aprovechar de este compuesto simple para dar una idea sobre la cantidad de dixido de carbono que se emite cuando quemamos combustibles fsiles. La masa de un tomo de carbn es 12 veces la de un tomo de hidrgeno. La masa de oxgeno es 16 veces la masa de un tomo de hidrgeno. Usando estos valores podemos reemplazar en la reaccin qumica del metano las masas atmicas para obtener:

C H4 + 2 O2 12 + (4 x 1) + 2 x (2 x 16) 16 + 64

C O2 + 2 H2 O + ENERGA 12 + (2 x 16) + 2 x ((2 x 1) + 16) 44 + 36

Es decir que por cada 16 kg de gas metano necesitamos 64 kg de oxgeno y se liberan 44 kg de CO2 y 36 kg de agua. El calor producido por 1 kg de metano es de 55 mega joules (MJ) de modo que 16 kg producen 880 MJ. Entonces, por cada kilogramo de dixido de carbono que se emite a la atmsfera en la quema de gas metano se liberan 20 MJ de calor (88044=20). Las reservas potenciales de gas natural en el Ecuador se estiman en 105.000 millones de m3 (105 x 109 m3; 1 m3 = 1.000 lt = 1 ton), pero el pas no dispone de la infraestructura para utilizar este recurso. En septiembre de 2002 se puso en funcionamiento una central termoelctrica, con una capacidad de 130 MW (20 unidades de 61 MW cada una) y con una capacidad futura de 312 MW que aprovecha el gas natural del campo Amistad en el Golfo de Guayaquil, cuya capacidad est estimada en 8,78 x 109 m3. Esta planta a plena capacidad generara 789 GWh por ao de energa elctrica.

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PetrleoPara usar la energa del petrleo crudo, se lo debe procesar en una refinera y obtener as los diferentes subproductos o combustibles. Dependiendo de la temperatura a la que se calienta podemos ir rompiendo la unin entre el carbono y el hidrgeno desde los compuestos ms livianos con menor nmero de tomos de carbono hasta los ms pesados: gas (metano, etano, propano o butano, que bajo presin se convierte en gas licuado de petrleo (GLP) usado en cocinas y para calentamiento de agua), nafta, gasolina, kerosene, diesel, fuel oil, gas pesado o aceite combustible (bunker), asfaltos, azufre peletizado y otros residuos pesados. A partir de estos materiales ms pesados se producen otros compuestos de importancia como parafinas, plsticos y fertilizantes. En Ecuador, las mayores refineras son: Esmeraldas con 110.000 BPD (barriles por da), La Libertad con 45.000 BPD y Amazonas con 20.000 BPD. El consumo de combustibles en el Ecuador durante el ao 2003 se muestra en la tabla 3.1.

Fuente: PETROECUADOR

Tabla 3.1 Consumo de Derivados de Petrleo en Ecuador, Aos 2001, 2002 y 2003

CarbnEl carbn es el combustible que ms se utiliza en el mundo para la produccin de vapor en las plantas de generacin de energa elctrica. Las reservas de este material en los Estados Unidos, Asia, ex Unin Sovitica, Sudfrica, Australia y la parte norte de Sudamrica aseguran una provisin superior a los 250 aos al ritmo de consumo actual. Siendo un material cuya explotacin ha llegado a altos niveles de tecnificacin, tiene un precio menor que el gas y el petrleo. El principal inconveniente que tiene el carbn es el grado de emisin de gases contaminantes, principalmente CO2, monxido de carbono y azufre, que influyen en el calentamiento del planeta. Para reducir este problema de contaminacin, se han desarrollado varias tecnologas de calderos que optimizan la combustin del carbn a una menor temperatura. Plantas generadoras de energa en pases desarrollados han tomado conciencia del tema ambiental y generan con un mnimo de contaminacin.

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Energas No Renovables - captulo 3

Los tipos de carbn son:

Tabla 3.2 Tipos de Carbn

En el ao 2000 se consumieron en todo el mundo aproximadamente 4.700 millones de toneladas de carbn. En el Ecuador no se utiliza carbn mineral. El carbn que usamos para cocinar proviene de la madera quemada. Las reservas de carbn, mayormente lignito y subbituminoso se estiman en 24 millones de toneladas. En el futuro este tipo de energa no ser parte del recurso energtico del pas.

Energa NuclearLa energa del tomo se ha aprovechado a partir de 1960 en la generacin de vapor para la produccin de energa elctrica. Cuando un tomo de uranio 235 (U-235) se divide, libera dos o tres neutrones que impactan con otros tomos similares produciendo una reaccin en cadena que genera una gran cantidad de calor. Esta reaccin nuclear de material radiactivo, llamada masa supercrtica, y el calor generado se pueden controlar en una planta de generacin nuclear por medio de cilindros de un material especial que al subir o bajar absorben los neutrones liberados por las barras de combustible nuclear que se encuentran en su interior. Una libra de U-235, de tamao no mayor a una pelota de tenis, tiene una cantidad de energa equivalente a 1 milln de galones de gasolina. De ah la razn por la que la energa nuclear haya tenido tanto desarrollo. A fines del ao 2001 las 438 plantas de generacin nuclear en todo el mundo proveyeron aproximadamente el 16% de la electricidad consumida, y hay 32 ms en construccin. En pases como Francia, el 77% de la generacin elctrica proviene de la energa nuclear; en Blgica, el 58%; en Japn, el 37%; y, en los Estados Unidos, el 20%. La capacidad instalada de las plantas nucleares es de 351.327 MW. La energa nuclear ha sido restringida en algunos pases, principalmente en Europa y los Estados Unidos, por los problemas asociados a la seguridad. Sin embargo las plantas nucleares seguirn suministrando energa por algunas dcadas ms. Se ha estimado que la operacin de las centrales nucleares reduce las emisiones globales de CO2 de cerca de 500 millones de toneladas de carbn. El principal inconveniente es la disposicin del residuo radiactivo que mantiene su toxicidad durante siglos. En el Ecuador no hay plantas nucleares de generacin ni las habr en el futuro.21

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Contaminacin Ambientalcaptulo 4

Contaminacin AmbientalLos mayores cuestionamientos que han recibido los combustibles fsiles se deben a las emisiones que producen al quemarse y al descuido en su manipulacin. Las emisiones ocasionan un grave impacto en el ambiente. Recordemos solamente el dao que ocasion en las islas Galpagos el derrame de 240.000 galones de combustible del buque tanque Jessica en enero del 2001, o el famoso derrame del buque Exxon Valdez en Alaska, en 1989, donde el derrame de 11 millones de galones implic un gasto de 2.100 millones de dlares para limpiar los daos ocasionados. Esto advirti sobre la falta de previsin y el desconocimiento sobre las acciones a tomar para reducir al mnimo los impactos ocasionados por derrames de combustible en el mar. Igual caso se da en la tierra en las reas de explotacin petrolera y minera donde los residuos y el material explotado en algunos casos no es dispuesto en forma adecuada. Tambin la contaminacin se origina en la quema sin control de residuos orgnicos y basura.

Calentamiento GlobalEl principal efecto de la contaminacin que producen los combustibles es el de los gases emanados en el denominado calentamiento global. La temperatura en la superficie de la Tierra viene dada por un equilibrio entre la energa radiante del Sol y el calor reflejado por la Tierra al espacio. Los gases invernadero de la atmsfera absorben el calor en forma de radiacin infrarroja y ejercen un efecto invernadero, lo cual permite mantener la temperatura de la superficie en un promedio de 15 grados centgrados y crear el ambiente propicio para la existencia de seres humanos, animales, plantas y otras formas de vida. As ha sido desde el inicio de la vida en el planeta, pero la accin del hombre y su desmedido afn de energa estn ocasionando un desequilibrio en la naturaleza con impactos que ya se estn sintiendo. La concentracin de CO2 en la atmsfera ha crecido desde 280 ppm (partes por milln), antes de la Revolucin Industrial hasta 358 ppm en 1994. De mantenerse esa tendencia, llegara a 500 ppm en el ao 2050.7 El impacto de las actividades humanas en el calentamiento global debido a los gases invernadero se da en las siguientes proporciones: dixido de carbono, 63,7%; metano, 19,2%; fluorocarbonos, 10,2%; subxido de nitrgeno, 5,7%; y otros, el 1,2% restante. Debido a la mayor concentracin de gases invernadero, principalmente CO2, la energa en forma de calor que se refleja al espacio se mantiene durante ms tiempo junto a la superficie de la Tierra, producindose un aumento de la temperatura. Como podemos observar, el mayor causante del calentamiento global es el dixido de carbono y el origen de estas emisiones se debe al uso de combustibles fsiles.

7

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

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Contaminacin Ambiental - captulo 4

Las emisiones de un motor de combustin interna como el usado en los automviles, incluye, adems de CO2 y vapor de agua, hidrocarburos, xidos de nitrgeno y monxido de carbono (CO). Estos dos ltimos gases son los que causan daos en la salud y envenenamiento de las personas. El uso de convertidores catalticos reduce significativamente el nivel de estos contaminantes. El convertidor cataltico es un tipo de filtro que se coloca en el sistema de escape de los automviles y reduce significativamente los gases venenosos como monxido de carbono y xido nitroso. En las plantas trmicas de generacin elctrica, que queman combustibles fsiles, tambin se producen estos gases, as como compuestos de azufre, causantes de la denominada lluvia cida. Es por ello que estas plantas deben contar con equipos y filtros para reducir al mnimo las emisiones.

Efectos de las EmisionesDurante los ltimos cien aos, la temperatura de la Tierra se ha incrementado entre 0,3C a 0,6C. De continuar la tendencia de consumo energtico actual, sin tomar medidas que lo impidan, a fines del siglo XXI la temperatura aumentara entre 1C y 3,5C. En la Edad del Hielo, la temperatura promedio fue solamente entre 3C y 6C menor que la actual, lo que nos da una idea de la seriedad que el incremento de temperatura de solo 2C puede ocasionar en el equilibro natural.

Las consecuencias que pueden resultar del calentamiento global son:8 1. Aumento del nivel del mar debido a la expansin del agua por incremento de temperatura. Un aumento de 2C significara una variacin entre 15 y 95 cm del nivel del mar. 2. Impacto en el recurso agua y en desastres naturales (inundaciones, sequas). 3. Impacto en la agricultura (variacin de la produccin en sembros). 4. Impacto en la salud humana (olas de calor, enfermedades contagiosas, malaria, clera). 5. Impacto en animales y plantas (relocalizacin de animales hacia zonas del norte, extincin de ciertas especies). 6. Impacto en las ciudades (aumento de energa para aire acondicionado, olas de calor en zonas urbanas).

8

Impact of Global Warming on Japan 1996 (Report by Impact Assessment Working Group, Global Warming Committee, Japan Environment Agency). 25

Tomando los datos de consumo total anual de combustibles en el Ecuador, se han estimado los niveles de emisin de CO2 que se producen en el ao 2001, lo que se muestra en la

Tabla 4.1 Clculo de Emisiones de CO2 por consumo de combustibles fsiles en el Ecuador. Ao 2001.

Suponiendo que del total de combustible un 15% no se ha consumido, es decir se mantiene almacenado en los vehculos o en tanques, llegamos a determinar que el Ecuador emiti 17,12 millones de toneladas de CO2 el ao 2001, valor que coincide con resultados obtenidos por OLADE. En el caso especfico de Galpagos, los combustibles son trados desde el continente en buques y el riesgo de derrame est siempre latente, tanto en el mar como en la tierra. De all la importancia de sustituir los combustibles fsiles en la generacin de electricidad, en una primera instancia y, posteriormente, en los vehculos. En el ao 2003, el consumo de diesel para la generacin elctrica en Galpagos fue de 1,4 millones de galones, que corresponde al 26% del total consumido de diesel. El subsidio por galn de diesel o gasolina en el ao 2001 fue de 0,14 centavos de dlar, mientras que el subsidio por cilindro de 15 kg de gas licuado de petrleo (GLP) lleg a 1,61 US dlares.9 El uso de energas renovables permite reducir significativamente el impacto de las emisiones y los costos asociados al subsidio de combustibles, con un beneficio directo al Estado y a la poblacin en general. Las energas renovables sern tratadas en detalle en los siguientes captulos.

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

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El Solcaptulo 5

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

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

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El Sol - captulo 5

La rbita que describe la Tierra alrededor del Sol es una elipse, con el Sol en uno de sus focos. El 21 de diciembre la Tierra est ms alejada del Sol, mientras el 21 de junio est ms cerca. La distancia media entre el Sol y la Tierra es de aproximadamente 150 x 106 km, y se llama una unidad astronmica. 10

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

M= T4M = = T =

(5.1)

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

El Sol irradia energa en todas las direcciones y parte de este flujo llega a la Tierra a travs del espacio vaco. Esta energa se emite en dos formas, como:

1. Radiacin electromagntica, que incluye: los rayos ultravioletas, los rayos X, la luz visible, las radiaciones infrarrojas, las microondas y las ondas de radio; y,

2. Viento solar, compuesto de partculas atmicas energizadas: neutrinos y protones. La atmsfera de la Tierra es una capa protectora de esta radiacin y del viento solar. La disminucin en la capa de ozono de la Tierra reduce el grado de proteccin contra la radiacin, especialmente de los rayos ultravioletas.

Ejercicio 5.1: Calcular la radiacin del Sol que llega a 1 m2 de la Tierra.

Datos: Radio del Sol = rs = 695.500 km Distancia media Sol-Tierra = rst = 149,6 x 10 6 km Temperatura en la superficie del Sol = 5.780 K

10

Exactamente, la distancia media entre el Sol y la Tier ra es de 149.597.870 km. 29

Solucin: Calculemos la radiacin emitida por el Sol usando la ley de Stefan-Boltzman Msol = 5,67 x 10 -8 [W m-2 K-4] x (5.780) 4 [K4] = 63.284.071 [W m-2] = 63,28 [MW m-2]

Como la cantidad total de radiacin en la superficie del Sol debe ser igual a la radiacin en la rbita de la Tierra (la energa no se destruye), entonces Msol x Asol = Mtierra x A sol-tierra (1) Como Asol = rs2 y Asol-tierra = r st2 podemos reemplazar en (1) y tenemos: Msol x rs2 = Mtierra x rst2, suprimiendo en ambos lados de la ecuacin y despejando para Mtierra tenemos: Mtierra = M sol x (rs2 / rst2) Reemplazando valores: Mtierra = 63,28 [MW m -2] x ((695,5 x 106)2 [m2] / (149,6 x 109)2 [m2]))= Mtierra = 63,28 [MW m-2] x (1 / 46266) = 1,367 x 10-3 [MW m-2] = 1367 [W m-2] Este valor se conoce como la constante solar y se usa en clculos de radiacin solar para sistemas fotovoltaicos y termosolares.

Para medir la radiacin solar se dispone principalmente de dos tipos de medidores: 1. El piranmetro, que mide la radiacin hemisfrica en un plano y consiste de una serie de termocuplas, que es una unin de dos placas metlicas de diferente material y conductividad trmica. El cambio en temperatura en estas placas metlicas produce un cambio de voltaje que es proporcional a la radiacin. Para su lectura, debe conectarse una resistencia en paralelo (shunt) y hay que tomar en cuenta el valor de ajuste por voltaje, propio de cada piranmetro. La ventaja del piranmetro es que permite medir tanto la radiacin directa como la reflejada.

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El Sol - captulo 5

2. La celda fotoelctrica con compensacin por temperatura, la cual genera una corriente elctrica. La precisin de este medidor es mucho menor que la del piranmetro y solo mide la radiacin global.

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

Fig. 5.1 Longitud de Onda

Si medimos el tiempo que toma una onda en un ciclo hablamos de la frecuencia de la onda, y se representa por la letra griega NU . La frecuencia de la onda nos permite conocer el nmero de ciclos por segundo y se mide en Hertz [Hz] (1 Hertz = 1 ciclo por segundo).

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

E=hE h = = = Energa de un fotn en J Constante de Planck = 6.624 10-34 J/s Frecuencia en Hz

(5.2)

Como veremos ms adelante, esta ecuacin, que es la base de la teora cuntica, nos ayudar a comprender la forma en que se liberan los electrones en un panel fotovoltaico. La energa de un fotn se mide en electrn voltios [eV], 1 eV = 1,602 x 10-19 J. Mientras ms energa tiene una onda, mayor es su frecuencia y menor su longitud de onda.

Se pueden determinar las siguientes regiones del espectro electromagntico ordenadas de menor a mayor energa:

Tabla 5.1 Regiones del Espectro Electromagntico.

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El Sol - captulo 5

La luz es solo una pequea parte del espectro electromagntico y va desde los 400 a los 700 nm. El color de la luz depende de su longitud de onda, desde el rojo hasta el violeta. Fue Sir Isaac Newton quien descubri en 1666 que la luz del Sol es una mezcla de diferentes partculas de colores y lo denomin el espectro (del ingls ghost, fantasma). Cada elemento tiene sus propias lneas espectrales y es as como podemos saber solo con la luz de las estrellas o de un cuerpo los elementos que las componen. Las radiaciones emitidas por los cuerpos calientes tienen una longitud de onda cercana al color rojo. Los fotones que emiten una radiacin de color azul tienen ms energa que aquellos de color rojo.

Fig 5.2 Espectro de la Luz

La luz, tanto la natural que nos viene del Sol, como aquellas artificiales con focos incandescentes, fluorescentes, de descarga, o los ltimos con elementos semiconductores (LEDs) son un flujo de fotones de diversas longitudes de onda que se ubican en el espectro de la luz visible, y por ende sensibles al ojo humano. Habamos visto que la energa radiante de un cuerpo depende de su temperatura T y ahora sabemos que tambin depende de la longitud de onda de los fotones de esa radiacin a lo largo de todo el espectro electromagntico. Estos conceptos se unifican en la denominada Ley de Planck, que determina la energa radiante de un cuerpo en funcin de T y . Cuando un cuerpo emite toda su radiacin y al mismo tiempo absorbe toda la radiacin de los dems cuerpos, decimos que se trata de un cuerpo negro. El Sol puede considerarse como un cuerpo negro. La curva de la fig. 5.3 muestra la energa radiante del Sol (o su distribucin espectral) en el exterior de la atmsfera de la Tierra y en la superficie de la Tierra en funcin de la longitud de onda.

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Este grfico corresponde a la temperatura del Sol de 5800 K. Aqu se observa lo siguiente :

Fig. 5.3 Espectro Solar en el Exterior de la Atmsfera y en la Superficie de la Tierra comparado con la Radiacin de un Cuerpo Negro de T=5780 K

1. La radiacin que llega a la Tierra es menor que la que incide sobre la parte exterior de la atmsfera. Por tanto, hay una prdida de energa. 2. La parte de la luz visible del espectro tiene la mayor energa. 3. Las radiaciones de mayor longitud de onda (menor frecuencia) se ubican en la zona infrarroja y son absorbidas en su mayor parte en la atmsfera. Son estos fotones los que al impactar con el aire de la atmsfera producen el calentamiento de nuestro planeta. 4. Ciertas frecuencias son absorbidas en la atmsfera ms que otras.

La radiacin solar, a su paso por la atmsfera, sufre algunos procesos de extincin: se refleja en las nubes y vuelve al espacio; es esparcida y cambia de direccin; se absorbe por el vapor de agua y los aerosoles; llega directamente sin afectarse; se difunde -particularmente los fotones de alta energa y por eso el cielo se ve azul; o se refleja en el suelo. Es importante anotar que se conoce como radiacin solar global o total a la suma de los componentes de radiacin directa ms la difusa ms la reflejada en el suelo.

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El Sol - captulo 5

Fig. 5.4 Componentes de la Radiacin Solar

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

Fig. 5.5 Variacin Anual y Diaria de la Masa de Aire

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

Radiacin Solar en el EcuadorLos datos de radiacin solar para algunas ciudades del Ecuador se muestran en las tablas 5.2 y 5.3. stos han sido tomados de la base de datos de la NASA.11 Los datos que presentamos nos dan una indicacin global de la radiacin. Se proporciona tanto los niveles de radiacin diaria promedio para cada mes y el dato de ndice de claridad (clearness index) que es muy til para calcular las componentes directa y difusa de la radiacin. El trmino insolacin empleado aqu es equivalente al de radiacin solar aunque por lo general se trata solamente de radiacin solar directa. Adems de los datos disponibles, en caso de disear sistemas para uso de la energa solar con paneles fotovoltaicos y colectores, se recomienda tomar lecturas del sitio durante al menos un ao y hacer una correlacin con datos histricos a fin de garantizar una localizacin y funcionamiento adecuados.

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

El Sol - captulo 5

Tabla 5.2 Insolacin Promedio 10 Aos en el Ecuador en [kWh m-2da-1]

Tabla 5.3 ndice de Claridad Promedio 10 Aos en el Ecuador.

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Aplicaciones de la Energa SolarEl desarrollo tecnolgico actual permite aprovechar la energa del Sol para los usos ms diversos. Las aplicaciones pueden ser agrupadas en:

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

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Electricidad del Solcaptulo 6

Estructura del tomoRecordemos que el tomo est constituido por un ncleo, con protones de carga positiva, neutrones de carga neutra y electrones con carga negativa que giran alrededor del ncleo. Uno de los descubrimientos ms importantes en la fsica atmica fue que el nmero de electrones que ocupan las rbitas de un tomo es fijo y viene determinado por su nmero cuntico, siendo mayor en las rbitas ms exteriores. Una tabla peridica de los elementos nos permite conocer los orbitales (o niveles de energa) de los tomos por su nmero cuntico. La energa del tomo, entonces, no es continua sino discreta, es decir que aumenta a saltos o en paquetes, los denominados cuanta de energa, de donde se origina el estudio de la fsica cuntica. Para que un electrn se mueva de una rbita interna a otra ms externa necesita recibir una cierta cantidad de energa. Si sta es insuficiente, permanece en su orbital; y, si la energa es suficiente puede saltar al orbital siguiente o quedar libre. Si la energa es excesiva puede liberarse ms de un electrn o eliminarse como prdidas en forma de calor. El caso contrario ocurre si un electrn de un orbital exterior salta a uno interior, en este caso libera energa. Por lo general esa energa adicional proviene de los fotones. Cuando la luz impacta sobre un objeto, el efecto que ocurre depende de tres factores: 1. 2. 3. De la cantidad de energa que trae el fotn; De la frecuencia natural en que los electrones vibran en el material; y, De la fuerza con que el ncleo (los protones) atrae a los electrones.

Los procesos que se producen al impactar la luz en el objeto pueden ser uno o varios de los siguientes: reflexin o dispersin, absorcin, refraccin, o pueden pasar a travs del material, sin afectarse. Cada nivel energtico del tomo, determinado por sus niveles orbitales tiene una franja vaca (gap de energa, brecha de energa o zona prohibida (Eg)) limitada en su parte superior por la llamada banda de conduccin (Ec) y en su parte inferior por la llamada banda de valencia (Ev). Cuando un electrn se encuentra en la banda de conduccin es libre para movilizarse en el material. La corriente elctrica es justamente un flujo de electrones libres en un circuito elctrico. Al liberarse un electrn de un tomo, queda un hueco (falta de un electrn) y el tomo se convierte en un in de carga positiva, por ello se dice que se genera una pareja electrn-hueco.

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Electricidad del Sol - captulo 6

Fig. 6.1 Materiales Conductores

Los materiales conductores tienen facilidad para liberar electrones, pues en la ltima rbita tienen un solo electrn (el electrn de valencia) y al estar ms alejado del ncleo la fuerza de atraccin es mnima. Los elementos conductores son los metales como el oro, la plata, el cobre o el aluminio. En estos las bandas de conduccin (Ec) y de valencia (Ev) estn muy juntas, haciendo posible que fotones o alguna excitacin de otro tipo como un campo elctrico, un campo magntico o el calor, generen electrones fcilmente. El gap o brecha de energa (Eg) en estos materiales es cero o mucho menor que 1 eV, como se muestra en la fig. 6.1. Otros elementos se conocen como aislantes, es decir que no tienen electrones de valencia. Un material aislante, por ejemplo, es la cermica ya que no permite la circulacin de una corriente elctrica. En un material aislante la franja entre las bandas de conduccin y de valencia es muy grande y no hay fotones con la suficiente energa para cargar a un electrn para que salte. La brecha de energa en los aislantes est cercana a los 5eV.

Fig. 6.2 Materiales Aislantes

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Hay elementos que permiten la circulacin de corriente elctrica en determinadas condiciones y se llaman semiconductores. Los elementos semiconductores son cristales como el Silicio, el Germanio, o el Arsenuro de Galio, que se utilizan en la fabricacin de elementos electrnicos como los circuitos integrados, el transistor o el diodo. La celda solar es un tipo de diodo fabricado con materiales semiconductores. En los semiconductores tpicos como el Silicio, la brecha de energa es de 1,11 eV.

Fig. 6.3 Materiales Semiconductores

Efecto FotoelctricoEl efecto fotoelctrico explicado por Albert Einstein en 1905, que le hizo acreedor al Premio Nobel en 1921 y dio origen a la teora de la fsica cuntica, se produce al incidir la luz en un metal. Al impactar en el metal, los fotones liberan electrones y se genera una corriente elctrica en un circuito. La cantidad de electrones liberados es funcin de la frecuencia de los fotones que inciden ms que de la intensidad de la luz. Solo fotones de ciertas frecuencias tienen la cantidad de energa requerida para liberar los electrones. Obviamente una mayor intensidad (nmero) de fotones de esa frecuencia liberar ms electrones. Este concepto nos ayudar a explicar el funcionamiento de la celda solar.

Funcionamiento de la Celda SolarEl tomo de silicio tiene un nmero atmico 14. Es decir, tiene 14 electrones y 14 protones, con sus dos primeras capas orbitales llenas (2 y 8 electrones respectivamente). La tercera capa orbital puede tener hasta 8 electrones pero el silicio solo ocupa cuatro, quedando cuatro huecos libres. En un cristal de silicio los tomos enlazan sus electrones con los huecos del tomo contiguo formando una unin muy slida entre s. Un cristal de silicio puro es un aislante pues no tiene electrones libres. Este se conoce como silicn intrnseco.

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Electricidad del Sol - captulo 6

Fig. 6.4 Estructura Atmica del Silicio Intrnseco o Puro y Bandas de Valencia y Conduccin

La probabilidad de encontrar un electrn entre la banda de valencia y la de conduccin es de 0,5 pues el elemento se encuentra en equilibrio, lo cual viene determinado por el Nivel de Energa de Fermi de ese material. Para comprender este concepto imaginemos que los electrones, dependiendo de su energa van ocupando los niveles orbitales de energa desde el de menor energa hasta el de mayor energa. A la temperatura del cero absoluto, la capa ms exterior de estos niveles, es decir la de mxima energa es el Nivel de Energa de Fermi. Con el aumento de la temperatura o por la accin de los fotones, la probabilidad de que los electrones pasen a la banda de conduccin aumenta. Para profundizar sobre este tema se recomienda revisar el sitio de Internet de la referencia.12

Fig. 6.5 Estructura Atmica del Silicio Dopado con Fsforo, Semiconductor Tipo n.

12

HyperPhysics (C.R.Nave, 2002),http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/fermi.html#c1

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Si al silicn intrnseco introducimos impurezas combinndolo con otro elemento, podemos cambiar las propiedades del material y favorecer la creacin de electrones o huecos libres. Esto se denomina dopar el material. Dos elementos son los preferidos para este propsito: el fsforo (smbolo qumico P), que tiene 5 electrones de valencia y el boro (smbolo qumico B) que tiene 3 electrones de valencia. El silicio as dopado se lo conoce como silicio extrnseco. Al introducir un tomo de fsforo tenemos un electrn adicional, el material es un donante de electrones y se llama material tipo n (por ser negativo). El nivel de energa de Fermi se acerca a la banda de conduccin.

Fig. 6.6 Estructura Atmica del Silicio Dopado con Boro, Semiconductor Tipo p

En el caso del boro queda un hueco libre, el material es un receptor de electrones y se lo conoce como material tipo p (por positivo). El nivel de energa de Fermi se acerca a la banda de valencia.

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Unin n-pAl unir los dos tipos de semiconductores n y p los niveles de Fermi se alinean y se produce en una primera instancia un intercambio rpido de iones (positivos y negativos) entre los dos materiales. Los niveles de Fermi iniciales de los materiales separados se mueven: en el caso del material tipo p asciende hacia la banda de conduccin, adquiriendo un potencial negativo (de Efo-p a Ef);y, para el material tipo n desciende a la banda de valencia, con un potencial positivo (de Efo-n a Ef). Se ha formado en la unin una diferencia de potencial o campo elctrico entre los dos materiales. El nivel de energa (o voltaje) en la zona prohibida Eg se reduce por los voltajes V n y Vp. Para el caso de una unin n-p con silicn dopado Vn+Vp 0,3 V, por lo que el voltaje de la unin VB sin aplicar una corriente externa es de aproximadamente 0,8 V. Debido a la temperatura, en la zona de intercambio se produce un flujo de electrones desde el material n hacia el p y por ende una corriente de generacin Ig. Para mantener el equilibrio elctrico en el material, se crea una corriente de recombinacin Ir de igual magnitud y sentido opuesto a Ig.

Fig. 6.7 Unin n-p, los niveles de Fermi se igualan.

Si aplicamos un voltaje hacia delante (forward bias) V a los extremos del material p-n, se incrementa el voltaje Vp y, por ende, la corriente Ir. Si se aplica un voltaje hacia atrs (reverse bias) se aumenta el voltaje Vn y se reduce la corriente Ir hasta cero. Se forma entonces una especie de compuerta electrnica que solo permite el paso de la corriente en un sentido: es decir un diodo.

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Fig. 6.8 Aplicacin de Voltaje Externo y Efecto en la corriente

La corriente resultante del diodo es ID = Ir Ig

Efecto de la Luz en la Unin n-pHasta ahora hemos analizado la unin n-p en la oscuridad, es decir sin el efecto de la luz. Sabemos que la energa de los fotones puede hacer saltar los electrones hacia la banda de conduccin. Como se ha reducido la banda de energa y creado un campo elctrico que atrae a los electrones en la zona de intercambio, al impactar los fotones en los electrones de la zona de intercambio los hace saltar hacia el lado p y se crea una corriente de generacin por fotones I L que se suma a la corriente de generacin Ig. Se produce un efecto similar al del diodo con un voltaje externo hacia delante pero en este caso el voltaje externo proviene del Sol: hemos generado as una corriente elctrica en un semiconductor extrnseco.

Fig. 6.9 Corrientes Actuantes en una Celda Solar

La corriente resultante de la celda solar I = IL + Ig Ir = ID - IL

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La corriente I que genera una celda solar viene dada por la ecuacin:

( VV ) -1 I = I - I expL ST Donde: I= IL = Is = positivo al negativo, I = -I en Amperios [A].

(6.1)

Corriente de la celda solar en el circuito elctrico (que por conveniencia se toma del polo Corriente generada por los fotones en la celda solar en Amperios [A] (foto corriente). Corriente de saturacin con voltaje externo hacia atrs mximo antes de la ruptura de avalancha en Amperios [A]. Se conoce tambin como corriente de fuga o difusin. En celdas solares Is est en el orden de los 10-8 A m-2.

V= VT =

Voltaje externo de la celda solar en Voltios, usualmente entre 0,4 a 0,6 [V] Voltaje propio de la celda en funcin de la temperatura en voltios [V] y que viene dado por:

kT VT = qDonde: q= k= T= Carga del electrn = 1,6 x 10-19 Coulombios [C] Coulombio = Julio / Voltio; [C] = [J V-1] Constante de Boltzman = 1,38 x 10-23 [J K-1] Temperatura absoluta de la celda solar en grados Kelvin [K]K]

(6.2)

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Circuito Equivalente de la Celda SolarLa celda solar real puede ser representada por el siguiente circuito elctrico equivalente,

Fig. 6.10 Circuito Elctrico Equivalente de la Celda Solar

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

I = I L IDRS = Rp = IL = ID = V=

(V - IR S) RP

(6.3)

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

Curva Corriente - Voltaje de la Celda SolarEl funcionamiento de una celda solar se puede representar por una curva de corrientevoltaje I-V como la de la fig. 6.11. Cuando la celda no est conectada tenemos un voltaje en circuito abierto V oc, y cuando la celda est en cortocircuito la corriente es I sc. Para un incremento en el voltaje desde 0 hasta Voc la corriente es casi constante hasta un voltaje mximo Vmax y de all desciende rpidamente. Como P = V x I , en cualquier punto podemos calcular la potencia P, lo cual se muestra en la curva de segmentos. Lo que nos interesa

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es obtener la mxima potencia, es decir cuando el rea del rectngulo V x I es mxima. El punto Pmax se conoce tambin como punto de mxima potencia (MPP).

Fig. 6.11 Curva corriente-voltaje y Potencia de la Celda Solar

La calidad de una celda solar se determina por la relacin entre el rea del rectngulo Voc x Isc y el rea del rectngulo V max x Imax y se conoce como factor de cuadratura (fill factor).

FF =

Imax Vmax Isc Voc(6.4)

Ejercicio 6.1: Calcular la potencia mxima y el factor de cuadratura de una celda solar de silicio multicristalino de las siguientes especificaciones: Imax = 3,15 A, Vmax = 0,48 V, Isc = 3,35 A, Voc = 0,60 V. Solucin: Pmax = (3,15 [A] x 0,48 [V]) = 1,51 [W] FF = ( 1,51 [W]/ (3,35 [A] x 0,60 [V]) = 0,75

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Efectos de la Radiacin y la TemperaturaLas grficas de la fig. 6.12 nos muestran las curvas I-V para diferentes valores de radiacin solar y temperatura en condiciones estndar de prueba (STC). Como vemos, el voltaje [V] es inversamente proporcional a la temperatura y la corriente I es proporcional a la radiacin solar G, es decir que la potencia de este panel se reduce con el incremento de la temperatura y se incrementa con la radiacin. La temperatura es la de la celda y no la del ambiente.

Fig. 6.12 Efectos de la Variacin de la Temperatura y la Radiacin en la Curva I-V de la Celda Solar

Valores tpicos del cambio de la temperatura ( ) en los diferentes parmetros de una celda solar son: Pmax -0,45 % / C , Vmax -115 mV / C, Isc +2 mA / C 0,04% / C, Voc -115mV / C -0,4% / C

Los paneles pueden llegar a temperaturas superiores a los 75C, y la prdida de potencia respecto de las STC (a 25C) puede llegar hasta un 25% de la potencia nominal. Este es un factor muy importante a tomar en cuenta en el diseo de sistemas solares fotovoltaicos especialmente en zonas clidas como el Ecuador. La prdida relativa de potencia con el cambio de radiacin de 1000 W/m2 a 200 W/m 2 es del 10%.

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Electricidad del Sol - captulo 6

Eficiencia de la Celda SolarConocemos que la eficiencia es la relacin entre la potencia de entrada y la potencia (o trabajo) de salida. La eficiencia se puede determinar para una celda o para el mdulo fotovoltaico con las ecuaciones siguientes:

C

=

PM G.AC .NC

(6.5)

M

PM = G.A M

(6.6)

C

=

Eficiencia de una celda de un panel fotovoltaico Potencia nominal del panel fotovoltaico en Vatios pico [Wp] Radiacin solar en W/m 2 rea de la celda en m2 Nmero de celdas en el panel Eficiencia del panel fotovoltaico rea total del mdulo en m2

PM = G= AC = NC =M

=

AM =

Ejercicio 6.2 Calcule las eficiencias de un panel fotovoltaico y de una celda de ese panel en condiciones de prueba estndar con los siguientes datos: Potencia pico 100 Wp, largo 1.316 mm, ancho 660 mm, profundidad 40 mm, nmero de celdas 72, tamao de cada celda 100 x 100 mm. Encuentre la relacin del AM/AC para todas las celdas. Solucin: Condiciones de prueba estndar (STC) son: G 1000 W/m 2, T 25C, AM 1,5, velocidad del viento 1 m/s2. Eficiencia del panel o mdulo: 2 2 M = 100 Wp / (1000 W/m x (1,316 x 0,66) m )) = 11,51% Eficiencia de la celda: 2 2 C = 100 Wp / (1000 W/m x (0,1 x 0,1) m ) x 72) = 13,88% AM/AC = (1,316x0,66) m 2/((0,1 x 0,1) m 2 *72) = 120,6%

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Como podemos notar, la eficiencia de una celda es obviamente mayor que la del mdulo debido al espacio que hay entre las celdas del mdulo. La relacin de reas muestra que un 20% del mdulo no est cubierto por celdas. Conclusiones: 1. Cuando el fabricante proporciona el dato de eficiencia hay que verificar si se trata de o en el diseo del sistema fotovoltaico. C M 2. Podemos ver en el ejercicio que la eficiencia de una celda solar no excede del 14% para STC. En condiciones normales de funcionamiento esta eficiencia es menor por la disminucin en la radiacin y por la temperatura.

Tipos de Celdas SolaresExisten bsicamente tres tipos de celdas solares dependiendo del proceso de fabricacin: monocristalino, policristalino y de pelcula delgada o de silicio amorfo (thin film).

Celda MonocristalinaLa celda monocristalina se fabrica de un solo cristal crecido que va formndose poco a poco hasta formar un bloque. Las celdas son luego cortadas en rodajas delgadas de 250 a 350 m. El lmite de eficiencia de la celda cristalina es de alrededor del 25%. Actualmente este tipo de celdas llegan a eficiencias del 15% a 17%. Se las diferencia porque tienen un color uniforme y generalmente son circulares o cortadas en sus bordes.

Celda PolicristalinaLa celda policristalina se fabrica con cristal de silicio fundido que se pone en un molde. Es ms barata que la celda monocristalina, pero su eficiencia lmite es del 20%. Se la reconoce porque su color es irregular y ms claro que la monocristalina y tiene una forma rectangular sin cortes en los bordes.

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Celda de Pelcula DelgadaLa celda de pelcula delgada o silicn amorfo utiliza una nueva tecnologa que consiste en una pelcula delgada de cristal de silicio puro sobre un sustrato de vidrio o cermica. Esta capa no supera los 20 m, es decir casi un tercio de grueso que un cabello. El espesor de toda la celda es de 300 a 800 m. El substrato tambin puede ser plstico lo cual permite obtener un panel flexible. Actualmente la eficiencia de estas celdas est en alrededor del 10% aunque en laboratorios se ha logrado llegar a niveles del 19%13 . La ventaja de esta tecnologa es que es mucho ms barata que las celdas cristalinas y en el proceso de fabricacin no se utilizan elementos contaminantes. Otras tecnologas son las celdas contrachapadas o multicapa que consisten en poner una capa sobre otra con distintos materiales y diferentes niveles de energa para aprovechar la mayor parte de las frecuencias del espectro electromagntico. Los materiales que se emplean para la fabricacin de celdas solares son principalmente: varios tipos de silicio, arsenuro de galio, cobre indio diselenuro y teluro de cadmio. Su uso depende de la aplicacin a la que estarn destinados y de la fuente de luz. El color azulado de la celda se debe a la pelcula antirreflejo que se coloca para optimizar la absorcin de la luz solar. Se est investigando tambin en celdas orgnicas, que funcionan como un proceso reverso de fotosntesis. La eficiencia en laboratorios ha llegado a 3%.

Conexin de Celdas SolaresUn panel fotovoltaico se compone de varias celdas conectadas entre s. Generalmente es el nivel de voltaje el que determina la unin de celdas en serie, hasta llegar a valores estandarizados de 6V, 12V, 24V, 36V, o 48V. Cada celda tiene 0,5 V. Para un panel de 12 V conectamos 24 celdas en serie. La corriente en una conexin en serie es la misma, pues hay un solo camino para el circuito. Para incrementar la corriente debemos hacer una conexin serie-paralelo en un panel, aunque lo que se prefiere es unir varios paneles en paralelo para llegar a la corriente requerida.

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Fraunhofer Institute. 53

Fig. 6.13 Conexin en Serie y Conexin en Serie-Paralelo de Celdas Solares en un Panel Fotovoltaico.

Si una celda se