2ª de forros.qxd 11/5/10 2:56 PM Página 2ªFo1

Director Ing. Horacio D. Vallejo

ProducciónJosé María Nieves

Autor de este Tomo de Colección:Ing. Alberto H. Picerno

Selección y Coordinación:Ing. Horacio D. Vallejo

EDITORIAL QUARK S.R.L.

Propietaria de los derechos en castellano de la publicación men-sual SABER ELECTRÓNICA - Herrera 761 (1295) - CapitalFederal - Buenos Aires - Argentina - T.E. 4301-8804

Administración y NegociosTeresa C. Jara

Patricia Rivero RiveroMargarita Rivero Rivero

StaffOlga VargasHilda Jara

Liliana Teresa VallejoMariela VallejoDiego VallejoRamón Miño

Ing. Mario LisofskyFabian Nieves

Luis Alberto Castro RegaladoJosé Luis Paredes Flores

Sistemas: Paula Mariana VidalRed y Computadoras: Raúl Romero

Video y Animaciones: Fernando FernándezLegales: Fernando Flores

Contaduría: Fernando DucachTécnica y Desarrollo de Prototipos:

Alfredo Armando Flores

Atención al ClienteAlejandro Vallejo

[email protected]

Internet: www.webelectronica.com.arPublicidad:

Rafael [email protected]

Club SE:Luis Leguizamón

Editorial Quark SRLHerrera 761 (1295) - Capital Federal

www.webelectronica.com.mx

La Editorial no se responsabiliza por el contenido de las no-tas firmadas. Todos los productos o marcas que se mencio-nan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no en-trañan responsabilidad de nuestra parte. Está prohibida lareproducción total o parcial del material contenido en estarevista, así como la industrialización y/o comercializaciónde los aparatos o ideas que aparecen en los mencionados tex-tos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autoriza-ción por escrito de la Editorial. Diciembre 2010

Impresión: Talleres Babieca - México

Se denomina energía verde a la energía generada a partir de fuentes deenergía primaria que intentan no contaminar o que respetan el medioambiente. Se trata de las energías cuyo modo de obtención o uso no emitesubproductos que puedan incidir negativamente en el medio ambiente.

Actualmente, están cobrando mayor importancia a causa delagravamiento del efecto invernadero y el consecuente calentamientoglobal, acompañado por una mayor toma de conciencia a nivel interna-cional con respecto a dicho problema. Asimismo, economías nacionalesque no poseen o agotaron sus fuentes de energía tradicionales (como elpetróleo o el gas) y necesitan adquirir esos recursos de otras economías,buscan evitar dicha dependencia energética, así como el negativo en subalanza comercial que esa adquisición representa.

Y como la idea del uso de las energías verdes es obtener principal-mente energía eléctrica, decidimos editar este manual, con el fin de quelos lectores tengan bases de lectura que permitirá el estudio posterior deotros tomos en los que veremos los aspectos electrónicos de conversióny uso de estas energías.

No me considero un experto en el tema y por ello debo aclarar querecurrí a abundante material de lectura para la redacción de cadainforme, mismos que se presentaron (o se presentarán) en nuestra queri-da revista Saber Electrónica.

Para la preparación de cada tema tuve en cuenta las consultas real-izadas por varios lectores, las que me llevaron a la conclusión que debíapresentar informes sencillos que reflejen claramente que la generaciónde energía eléctrica a partir del sol, del agua o del viento se puede obten-er hasta en forma artesanal y sin grandes complicaciones. Decidí agregarun informe sobre proyectos de iluminación con LED, justamente porqueel uso de estos elementos contribuye al ahorro de energía, siendo unaforma más de “cuidar a nuestro planeta”. En el CD que puede descargarencontrará, entre otras cosas, más de 50 proyectos de iluminación, 10 delos cuales son el tema que abordaremos en un próximo tomo de la colec-ción Club Saber Electrónica.

SOBRE EL CD Y SU DESCARGA

Ud, podrá descargar de nuestra web un Curso MultimediaCompleto Sobre Energías Renovables, que posee TODAS las lec-ciones, videos, test de evaluación, guías y proyectos prácticos, etc.Para realizar la descarga deberá ingresar a nuestra web: www.web-electronica.com.mx, tendrá que hacer clic en el ícono password eingresar la clave “renuevacd”. Tenga este texto cerca suyo ya que sele hará una pregunta aleatoria sobre el contenido para que pueda ini-ciar la descarga.

ENERGÍAS RENOVABLES

3CUIDEMOS NUESTRO PLANETA

Energías RenovablesTIPOS DE ENERGÍA - ENERGÍAS VERDES Y CONTAMINANTES

Se denomina energíarenovable a la energíaque se obtiene defuentes naturales vir-tualmente inagota-bles, unas por lainmensa cantidad deenergía que contie-nen, y otras porqueson capaces de rege-nerarse por mediosnaturales.Una energía alternati-va es aquella quepuede suplir a lasenergías o fuentesenergéticas actuales,ya sea por su menorefecto contaminante,o fundamentalmentepor su posibilidad derenovación.El concepto de "crisisenergética" aparece cuando las fuentes de energía de las que se abastece la sociedad se ago-tan. Como las fuentes de energía fósil y nuclear se agotan, es inevitable que en un determinadomomento la demanda no pueda ser abastecida y todo el sistema colapse, salvo que se descu-bran y desarrollen otros nuevos métodos para obtener energía: éstas serían las energías alter-nativas y, entre ellas, se prefieren las denominadas “energías renovables” que no contaminen elmedio ambiente.Las fuentes renovables de energía pueden dividirse en dos categorías: no contaminantes o lim-pias y contaminantes. Entre las primeras:

La llegada de masas de agua dulce a masas de agua salada: energía azul.El viento: energía eólica.El calor de la Tierra: energía geotérmica.Los ríos y corrientes de agua dulce: energía hidráulica.Los mares y océanos: energía mareomotriz.El Sol: energía solar.Las olas: energía undimotriz.

Las contaminantes se obtienen a partir de la materia orgánica o biomasa, y se pueden utilizardirectamente como combustible (madera u otra materia vegetal sólida), bien convertida en bioe-tanol o biogás mediante procesos de fermentación orgánica o en biodiésel.

Cap 1 Club 69 11/4/10 1:22 PM Página 3

Tipos de Energía

Antes de comenzar con eldesarrollo de la energía solar,veremos una introducción a losdistintos tipos de energía, su defi-nición y cómo se las emplea:

En física, “energía” se definecomo la capacidad para realizarun trabajo.

Si miramos a nuestro alrede-dor se ve que las plantas crecen,los animales se mueven y que lasmáquinas y herramientas hacenmuchas tareas. Todas estas activi-dades necesitan energía.

La energía es una propiedad delos objetos y sustancias y que seve en las transformaciones que ocurren en la natura-leza.

La energía se manifiesta en los cambios físicos,por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, defor-marlo o calentarlo.

La energía está presente también en los cambiosquímicos, como al quemar un trozo de madera o en ladescomposición de agua mediante la corriente eléctri-ca. La figura 1 muestra un esquema que ejemplifica elciclo de la energía.

El Concepto de Energía

En la física, la ley universal de conserva-ción de la energía, que es la base para el pri-mer principio de la termodinámica, indicaque la energía ligada a un sistema aisladopermanece en el tiempo. No obstante, la teo-ría de la relatividad especial establece unaequivalencia entre masa y energía por la cualtodos los cuerpos, por el hecho de estar for-mados de materia, contienen energía; ade-más, pueden poseer energía adicional que sedivide conceptualmente en varios tipos segúnlas propiedades del sistema que se consideren(figura 2). Por ejemplo, la energía cinética secuantifica según el movimiento de la materia,

la energía química según la composición química, laenergía potencial según propiedades como el estadode deformación o a la posición de la materia en rela-ción con las fuerzas que actúan sobre ella y la energíatérmica según el estado termodinámico.

La energía no es un estado físico real, ni una "sus-tancia intangible" sino sólo una magnitud escalar quese le asigna al estado del sistema físico, es decir, laenergía es una herramienta o abstracción matemáticade una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo,se puede decir que un sistema con energía cinéticanula está en reposo. Se utiliza como una abstracción

ELECTRÓNICA CON ENERGÍAS RENOVABLES

4EL EMPLEO DE LAS “ENERGÍAS VERDES”

Figura 1

Figura 2


de los sistemas físicos por la faci-lidad para trabajar con magnitu-des escalares, en comparacióncon las magnitudes vectorialescomo la velocidad o la posición.Por ejemplo, en mecánica, sepuede describir completamente ladinámica de un sistema en fun-ción de las energías cinética,potencial, que componen la ener-gía mecánica, que en la mecánicanewtoniana tiene la propiedad deconservarse, es decir, ser inva-riante en el tiempo.Matemáticamente, la conserva-ción de la energía para un sistemaes una consecuencia directa deque las ecuaciones de evoluciónde ese sistema sean independientes del instante detiempo considerado, de acuerdo con el teorema deNoether (figura 3).

Clasificación de la Energía

La energía también es una magnitud física que sepresenta bajo diversas formas, está involucrada entodos los procesos de cambio de Estado físico, setransforma y se transmite, depende del sistema dereferencia y fijado éste se conserva. Por lo tanto todocuerpo es capaz de poseer energía, esto gracias a sumovimiento, a su composición química, a su posi-ción, a su temperatura, a su masa y a algunas otraspropiedades.

En las diversas disciplinas de la física y la ciencia,se dan varias definiciones de energía, por supuestotodas coherentes y complementarias entre sí, todasellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Por ejemplo la energía mecánica es la combina-ción o suma de los siguientes tipos:

Energía cinética: relativa al movimiento.

Energía potencial: la asociada a la posición dentrode un campo de fuerzas conservativo. Por ejemplo,está la Energía potencial gravitatoria y la Energíapotencial elástica (o energía de deformación, llamada

así debido a las deformacioneselásticas). Una onda también escapaz de transmitir energía al des-plazarse por un medio elástico.

En electromagnetismo seestudia a las siguientes energías:

Energía electromagné-tica, que se compone de:

a) Energía radiante: laenergía que poseen las ondaselectromagnéticas.

b) Energía calórica: lacantidad de energía que la unidadde masa de materia puede des-prender al producirse una reac-ción química de oxidación.

Energía potencial eléctrica, que se componede:

a) Energía eléctrica: resultado de la exis-tencia de una diferencia de potencial entre dos pun-tos.

En la termodinámica están:

Energía interna, que es la suma de la ener-gía mecánica de las partículas constituyentes de unsistema.

Energía térmica, que es la energía liberadaen forma de calor, obtenida de la naturaleza (energíageotérmica) mediante la combustión.

En la “teoría de la relatividad” se estudia:

Energía en reposo, que es la energía debidaa la masa según la conocida fórmula de Einstein, E =mc2, que establece la equivalencia entre masa y ener-gía.

Energía de desintegración, que es la dife-rencia de energía en reposo entre las partículas ini-ciales y finales de una desintegración.

Al redefinir el concepto de masa, también semodifica el de energía.

En física cuántica, la energía es una magnitudligada al operador hamiltoniano. La energía total de



Figura 3


un sistema no aislado de hecho puede no estardefinida: en un instante dado la medida de la ener-gía puede arrojar diferentes valores con probabili-dades definidas. En cambio, para los sistemas ais-lados en los que el hamiltoniano no dependeexplícitamente del tiempo, los estados estaciona-rios sí tienen una energía bien definida. Ademásde la energía asociadas a la materia ordinaria ocampos de materia, en física cuántica aparece la:

Energía del vacío: un tipo de energíaexistente en el espacio, incluso en ausencia demateria.

En química aparecen algunas formas específi-cas no mencionadas anteriormente, como ser:

Energía de ionización, una forma deenergía potencial, es la energía que hace faltapara ionizar una molécula o átomo.

Energía de enlace, es la energía poten-cial almacenada en los enlaces químicos de uncompuesto. Las reacciones químicas liberan o absor-ben esta clase de energía, en función de la entalpía yenergía calórica.

Si estas formas de energía son consecuencia deinteracciones biológicas, la energía resultante es bio-química, pues necesita de las mismas leyes físicasque aplican a la química, pero los procesos por loscuales se obtienen son biológicos, como norma gene-ral resultante del metabolismo celular.

La energía potencial es la que se le puede asociara un cuerpo o sistema conservativo en virtud de suposición o de su configuración. Si en una región delespacio existe un campo de fuerzas conservativo, laenergía potencial del campo en el punto (A) se definecomo el trabajo requerido para mover una masa desdeun punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto(A). Por definición el nivel de tierra tiene energíapotencial nula. Algunos tipos de energía potencialque aparecen en diversos contextos de la física son:

La energía potencial gravitatoria asociada ala posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (enel contexto de la mecánica clásica). La energía poten-cial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campogravitatorio constante viene dada por: donde h es laaltura del centro de masas respecto al cero conven-cional de energía potencial.

La energía potencial electrostática V de unsistema se relaciona con el campo eléctrico mediantela relación:

La energía potencial elástica asociada alcampo de tensiones de un cuerpo deformable.

La energía potencial puede definirse solamentecuando existe un campo de fuerzas que es conservati-va, es decir, que cumpla con alguna de las siguientespropiedades:

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

El trabajo realizado por la fuerza paracualquier camino cerrado es nulo.



Figura 4

Figura 5


Se puede demostrar quetodas las propiedades son equiva-lentes (es decir que cualquiera deellas implica la otra).

En estas condiciones, la ener-gía potencial en un punto arbitra-rio se define como la diferencia deenergía que tiene una partícula enel punto arbitrario y otro puntofijo llamado "potencial cero".

La energía cinética es un con-cepto fundamental de la física queaparece tanto en mecánica clásica,como mecánica relativista ymecánica cuántica. La energíacinética es una magnitud escalarasociada al movimiento de cadauna de las partículas del sistema.

Hecha una primera clasificación, vamos a desa-rrollar cada uno de estos conceptos.

Energía Mecánica

La energía mecánica es la energía que se debe a laposición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto,puede ser energía potencial y/o cinética (figura 4).

La energía cinética de un cuerpo es una energíaque surge en el fenómeno del movimiento. Esta defi-nida como el trabajo necesario para acelerar un cuer-po de una masa dada desde el reposo hasta la veloci-

dad que posee. Una vez consegui-da esta energía durante la acelera-ción, el cuerpo mantiene su ener-gía cinética salvo que cambie surapidez. Para que el cuerpo regre-se a su estado de reposo se requie-re un trabajo negativo de lamisma magnitud que su energíacinética (figura 5).

Energía Cinética

Un ciclista quiere usar la ener-gía química que le proporcionó sucomida para acelerar su bicicletaa una velocidad elegida. Su rapi-

dez puede mantenerse sin mucho trabajo, excepto porla resistencia del aire y la fricción. La energía es con-vertida en una energía de movimiento, conocidacomo energía cinética pero el proceso no es comple-tamente eficiente y el ciclista también produce calor.

Para que un cuerpo adquiera energía cinética, esnecesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea eltiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será lavelocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía ciné-tica será también mayor. Otro factor que influye en laenergía cinética es la masa del cuerpo.

Por ejemplo, si una bolita de vidrio de 5 gramosde masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2km/h no se hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sinembargo, si con esa misma velocidad avanza hacia

nosotros un camión, no se podrá evitarla colisión.

La energía cinética se representa conesta formula:

Ec = (1 / 2) . m . v2

Donde:

Ec = Energía cinética

m = masa

v = velocidad



Figura 6

Figura 7


Cuando un cuerpo de masa (m) se muevecon una velocidad (v), posee una energía cinéti-ca (Ec) que está dada por la fórmula escrita másarriba.

En esta ecuación, debe haber concordanciaentre las unidades empleadas. Todas ellas debenpertenecer al mismo sistema.

En Conclusión

La energía cinética, es la parte de la energíamecánica de un cuerpo y corresponde al trabajo o lastransformaciones que un cuerpo puede producir, debi-do a su movimiento, es decir, todos los cuerpos enmovimiento tienen energía cinética y cuando están enreposo, no tienen esta energía cinética. La energíacinética es aquella que un objeto posee debido a sumovimiento. La energía cinética depende de la masay la velocidad del objeto.

Energía Potencial

Puede pensarse como la energía almacenada enun sistema, o como una medida del trabajo que un sis-tema puede entregar.

Los carros de una montaña rusa alcanzan su máxi-ma energía cinética cuando están en el fondo de sutrayectoria. Cuando comienzan a elevarse, la energíacinética comienza a ser convertida a energía potencialgravitacional, pero, si se asume una fricción insigni-ficante y otros factores de retardo, la cantidad total deenergía en el sistema sigue siendo constante.

Todo cuerpo que se ubicado a cierta altura delsuelo posee energía potencial, incluso el agua que caehacia el vacío debido a su energía potencial (figura 6).

Esta afirmación se comprueba cuando un objetocae al suelo, siendo capaz de mover o deformar obje-tos que se encuentren a su paso. El movimiento odeformación será tanto mayor cuanto mayor sea alaltura desde la cual cae el objeto.

Otra forma de energía potencial es la que estáalmacenada en los alimentos, bajo la forma de ener-gía química. Cuando estos alimentos son procesados

por nuestro organismo, liberan la energía.

Todos los cuerpos tienen energía potencial queserá tanto mayor cuanto mayor sea su altura. Como laexistencia de esta energía potencial se debe a la gra-vitación (fuerza de gravedad), su nombre más com-pleto es energía potencial gravitatoria (figura 7).

Energía Química

Es la energía acumulada en los alimentos y en loscombustibles. Se produce por la transformación desustancias químicas que contienen ellos y posibilitamover objetos o generar otro tipo de energía, como enla plantas (figura 8).

En la actualidad, la energía química es la quemueve los automóviles, los buques y los aviones y, engeneral, millones de máquinas. Tanto la combustióndel carbón, de la leña o del petróleo usada en lasmáquinas de vapor como la de los derivados delpetróleo en el estrecho y reducido espacio de los



Figura 8

Figura 9


cilindros de unmotor de explo-sión, constituyenreacciones quí-micas.

Es almacena-da dentro de uncuerpo no sepuede ver pero ald e s p r e n d e r s e ,puede producirefectos visibles.

En los fuegos artificiales la energía química se hacevisible como energía radiante.

Una pila de una linterna, al encender la linternatrasforma la energía química almacenada en energíaeléctrica, esta a su vez en energía térmica en el fila-mento de la lamparita, para finalmente iluminar trans-firiendo energía radiante y térmica al ambiente.

La energía química:

Permite la fotosíntesis de las plantas.Genera que al comer uno se pueda mover.Hace que se muevan los vehículos.

Y está presente en toda la materia perosólo se nos muestra cuando hay una altera-ción de ella.

“La energía química está presente enla mayoría de los hechos cotidianos”.

Energía Eléctrica

La electricidad se genera a partir deotras fuentes de energía, principalmente en:centrales hidroeléctricas donde se usa lafuerza mecánica de agua o en centrales ter-

moeléctricas donde se produce electricidad a partirdel carbón, petróleo y otros combustibles. Tambiénpuede generarse a partir de la Energía Eólica, Solary Biomásica entre otras.

En la mayor parte de los servicios de nuestros díasdependen de un suministro fiable de energía eléctrica.

A medida que más países se industrializan se con-sumen cantidades de energía cada vez mayores. Elconsumo mundial de energía se ha multiplicado por25 desde el siglo pasado. El promedio del consumode electricidad per cápita es alrededor de diez vecesmayor en los países industrializados que en el mundoen desarrollo. Pero como en la actualidad las econo-mías de muchas naciones en desarrollo se expandenrápidamente, para los próximos 15 años se prevé uncrecimiento de más del 5% anual de la demanda deelectricidad en el “Sur''. Para satisfacer esta demandase necesitará un aumento espectacular de la produc-ción de electricidad.

Energía Solar

La energía solar es la energía obtenida mediantela captación de la luz y el calor emitidos por el Sol,figura 9. El Sol, fuente de vida y origen de las demásformas de energía que el hombre ha utilizado desdelos albores de la historia, puede satisfacer todas nues-tras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar deforma racional la luz que continuamente derramasobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace



Figura 10

Figura 11

Figura 12


unos cinco mil millones de años, y se calcula quetodavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.

La energía solar se consigue con paneles o célulassolares. Recogiendo de forma adecuada la radiaciónsolar (figura 10), podemos obtener calor y electrici-dad. El calor se logra mediante los captadores ocolectores térmicos, y la electricidad, a través de losllamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesosnada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecno-logía ni en su aplicación.

El calor recogido en ellos puede destinarse a satis-facer numerosas necesidades. Se puede obtener aguacaliente para consumo doméstico o industrial, o bienpara dar calefacción a nuestros hogares, podemos cli-matizar las piscinas y permitir el baño durante granparte del año. También las aplicaciones agrícolas sonmuy amplias para usar los invernaderossolares

La electricidad que se obtiene de losmódulos fotovoltaicos puede usarse demanera directa (por ejemplo para sacaragua de un pozo o para regar, mediante unmotor eléctrico), o bien ser almacenada enacumuladores para usarse en las horasnocturnas. También es posible inyectar laelectricidad generada en la red general,obteniendo un importante beneficio.

Energía Nuclear

La energía nuclear es la energía que selibera espontánea o artificialmente en lasreacciones nucleares. Estas reacciones se dan en losnúcleos de algunos isótopos de ciertos elementos quí-micos (figura 11), siendo la más conocida la fisión deluranio con la que funcionan los reactores nucleares, yla más habitual en la naturaleza, en el interior de lasestrellas.

¿Como se consigue?

Los dos sistemas más investigados y trabajadospara la obtención de energía nuclear aprovechable deforma masiva son la fisión nuclear (figura 12) y lafusión nuclear (figura 13). Otra técnica es la utiliza-ción de generadores termoeléctricos de radioisótopos.

Energía Caloríca

Es la energía que se transfiere en forma decalor. El calor se transmite entre cuerpos que se



Figura 13

Figura 14

Figura 15


encuentran a distinta tempe-ratura y que se ponen en con-tacto (figura 14). Se dice quese alcanza el equilibrio térmi-co cuando la temperatura deambos se iguala. Su unidadde medida es la caloría.

En Síntesis:

La energía puede tener seisformas diferentes (eléctrica,mecánica, química, nuclear,solar y calorífica) y cada unade ellas puede transformarse en cualquiera de lasotras como lo muestra el siguiente esquema.

Estas energías pueden generar otras como porejemplo La energía eólica que su fuente la energíamecánica que, en forma de energía cinética transpor-ta el aire en movimiento (el viento). Este es origina-do por el desigual calentamiento de la superficie denuestro planeta (energía calorífica). La Tierra recibeuna gran cantidad de energía procedente del Sol(energía solar).

Ejemplos de Generación de Energía

A continuación veremos ejemplos de cómoson las energías que son generadas por otras ener-gías.

Energía Eólica: La ener-gía Eólica es aquella que pode-mos obtener de la fuerza delviento (energía cinética, solary calórica). El mayor interésque existe actualmente es laproducción de electricidad apartir del viento con el fin desustituir los costosos combus-tibles fósiles. Existen diversosaparatos con diseños y tama-ños adecuados para las diferen-tes necesidades (figura 15).

Para conseguir esta energía se usa el Generadoreólico que esta constituido por un aeromotor de dos otres palas, provisto de un sistema de regulación, queconfiera al rotor una velocidad de rotación estable apartir de cierta velocidad del viento, y un sistema deseguridad destinado a frenar la máquina en caso detempestad, si el sistema de regulación es inoperante aaltas velocidades. También se puede tener un genera-dor eléctrico que puede estar directamente acopladoal aeromotor (figura 16). En el caso más sencillo laspalas van directamente montadas en el eje del gene-rador. Cuando el generador está acoplado a un mul-tiplicador, colocado entre el aeromotor y el genera-dor. Se verá que la velocidad de rotación depende del



Figura16

Figura 18

Figura 17


diámetro del rotor y disminuye cuando el diámetroaumenta. Entonces para tener un buen rendimiento, esnecesario aumentar las revoluciones del aeromotorantes de acoplarlo al generador.

También se requiere un mecanismo de giro, quepermita a la máquina estar siempre orientada en ladirección del viento, cualquiera que sea esta. La ener-gía producida en la parte móvil, se transmite pormedio de un dispositivo colector asociado al meca-nismo de rotación. Las mejores condiciones para lautilización de energía eólica son:

Terrenos llanos, particulares en regiones coste-ras. Donde existen cumbres planas o colinas solita-rias sin laderas escarpadas.

Valles planos y extensos, expuestos en la direc-ción del viento predominante.

Energía Hidráulica: La energía hidráulica sebasa en aprovechar la caída del agua desde cierta altu-ra (energía potencial). El agua pasa por las turbinas agran velocidad (energía cinética), provocando unmovimiento de rotación que finalmente, se transfor-ma en energía eléctrica por medio de los generadores,figura 17. Todas las centrales hidroeléctricas aprove-chan la corriente de agua que cae por un desnivel. Seutilizan desniveles naturales del terreno, o bien sehace que el agua caiga desde una presa o dique (figu-ra 18). Las centrales hidroeléctricas se dividen a gran-des rasgos en centrales de baja, mediana y alta pre-sión. Las centrales dependen de un gran embalse deagua contenido por una presa. El caudal de agua secontrola y se puede mantener casi constante. El aguase transporta por unos conductos o tuberías, controla-dos con válvulas y turbinas paraadecuar el flujo de agua con res-pecto a la demanda de electricidad.El agua que entra en la turbina salepor los canales de descarga. Losgeneradores están situados justoencima de las turbinas y conecta-dos con árboles verticales. El dise-ño de las turbinas depende del cau-dal de agua; las turbinas Francis yKaplan se utilizan para caudalesgrandes y saltos medios y bajos, ylas turbinas Pelton para grandessaltos y pequeños caudales.

Energía Geotérmica: La energía geotérmica esaquella energía que puede ser obtenida por el hombremediante el aprovechamiento del calor (energía calo-rífica) del interior de la Tierra, figura 19.

Se obtiene energía geotérmica por extracción delcalor interno de la Tierra. En áreas de aguas termalesmuy calientes a poca profundidad, se perfora porfracturas naturales de las rocas básales o dentro derocas sedimentarios. El agua caliente o el vapor pue-den fluir naturalmente, por bombeo o por impulsos deflujos de agua y de vapor. El método a elegir depen-de del que en cada caso sea económicamente rentable

Las ventajas de la energía geotérmica son lassiguientes:

Es una fuente que evitaría la dependencia ener-gética del exterior. Los residuos que produce sonmínimos y ocasionan menor impacto ambiental quelos originados por el petróleo, carbón...

Es un sistema de gran ahorro, tanto económicocomo energético. Ausencia de ruidos exteriores.

Los recursos geotérmicos son mayores que losrecursos de carbón, petróleo, gas natural y uraniocombinados.

No está sujeta a precios internacionales, sino quesiempre puede mantenerse a precios nacionales olocales.

El área de terreno requerido por las plantas geo-térmicas por megavatio es menor que otro tipo deplantas. No requiere construcción de represas, talade bosques, ni construcción de tanques de almacena-miento de combustibles.



Figura 19


PROYECTOS DE ILUMINACIÓN CON LEDS


Proyectos de Iluminación conLED

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


Introducción

El LED (Light-Emitting Diode: Diodo Emisorde Luz), es un dispositivo semiconductor queemite luz incoherente de espectro reducido cuan-do se polariza de forma directa la unión PN en lacual circula por él una corriente eléctrica . Estefenómeno es una forma de electroluminiscencia,el LED es un tipo especial de diodo que trabajacomo un diodo común, pero que al ser atravesadopor la corriente eléctrica, emite luz . Este disposi-tivo semiconductor está comúnmente encapsula-do en una cubierta de plástico de mayor resisten-cia que las de vidrio que usualmente se empleanen las lámparas incandescentes.

Aunque el plástico puede estar coloreado, essólo por razones estéticas, ya que ello no influyeen el color de la luz emitida. Usualmente un LEDes una fuente de luz compuesta con diferentespartes, razón por la cual el patrón de intensidadde la luz emitida puede ser bastante complejo.

Para obtener una buena intensidad luminosadebe escogerse bien la corriente que atraviesa elLED y evitar que este se pueda dañar; para ello,hay que tener en cuenta que el voltaje de opera-ción va desde 1,8 hasta 3,8 volt aproximadamen-te (lo que está relacionado con el material defabricación y el color de la luz que emite) y lagama de intensidades que debe circular por élvaría según su aplicación. Los Valores típicos decorriente directa de polarización de un LED estáncomprendidos entre los 10y 20 miliampere (mA) enlos diodos de color rojo yde entre los 20 y 40miliampere (mA) para losotros LED. Los diodosLED tienen enormes ven-tajas sobre las lámparasindicadoras comunes,como su bajo consumo deenergía, su mantenimientocasi nulo y con una vidaaproximada de 100,000horas. Para la protección

del LED en caso que haya picos inesperados quepuedan dañarlo. Se coloca en paralelo y en senti-do opuesto un diodo de silicio común.

En general, los LED suelen tener mejor efi-ciencia cuanto menor es la corriente que circulapor ellos, con lo cual, en su operación de formaoptimizada, se suele buscar un compromiso entrela intensidad luminosa que producen (mayorcuanto más grande es la intensidad que circulapor ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor esla intensidad que circula por ellos).

La figura 1 muestra el símbolo del LED. Lafigura 2 reproduce las partes constituyentes de unLED

Existen diodos LED de varios colores quedependen del material con el cual fueron cons-truidos. Hay de color rojo, verde, amarillo,ámbar, infrarrojo, entre otros.

Si bien más adelante vamos a detallar los com-puestos específicos de los Leds, digamos que losLED rojos están formados por GaP consiste en unaunión P-N obtenida por el método de crecimientoepitaxial delcristal en sufase líquida,en un subs-trato.

La fuentel u m i n o s aestá formada



Figura 1

Figura 2


por una capa de cristal P junto con un complejode ZnO, cuya máxima concentración está limita-da, por lo que su luminosidad se satura a altas

densidades de corriente.Este tipo de LED funcionacon baja densidades decorriente ofreciendo unabuena luminosidad, utili-zándose como dispositivode visualización en equi-pos portátiles. El consti-tuido por GaAsP consisteen una capa p obtenida pordifusión de Zn durante elcrecimiento de un cristalN de GaAsP, formado enun substrato de GaAs, porel método de crecimientoepitaxial en fase gaseosa.

Actualmente seemplea los LED deGaAlAs debido a sumayor luminosidad. Elmáximo de radiación sehalla en la longitud deonda 660 nm.

Los LED anaranja-dos y amarillos estáncompuestos por GaAsP aligual que sus hermanoslos rojos, pero en este casopara conseguir luz anaran-

jada y amarilla así como luz de longitud de ondamás pequeña, lo que hacemos es ampliar el anchode la "banda prohibida" mediante el aumento defósforo en el semiconductor. Su fabricación es lamisma que se utiliza para los diodos rojos, porcrecimiento epitaxial del cristal en fase gaseosa,la formación de la unión p-n se realiza por difu-sión de Zn.

Como novedad importante en estos LED semezcla el área emisora con una trampa isoelec-trónica de nitrógeno con el fin de mejorar el ren-dimiento.

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



Figura 3

Tabla 1


za una trampa isoelectrónica de nitrógeno paramejorar el rendimiento. Debido a que este tipo deLED posee una baja probabilidad de transiciónfotónica, es importante mejorar la cristalinidad dela capa N. La disminución de impurezas a largala vida de los portadores, mejorando la cristalini-dad. Su máxima emisión se consigue en la longi-tud de onda 555 nm. Vea en la tabla 1 losCompuestos empleados en la construcción deLED.

Funcionamiento Físico del LED

El funcionamiento físico consiste en que, enlos materiales semiconductores, un electrón alpasar de la banda de conducción a la de valencia,pierde energía; esta energía perdida se puedemanifestar en forma de un fotón desprendido, conuna amplitud, una dirección y una fase aleatoria.El que esa energía se manifieste en (calor porejemplo) va a depender principalmente del tipode material semiconductor. Cuando al polarizardirectamente un diodo LED conseguimos que porla unión PN sean inyectados huecos en el materialtipo N y electrones en el material tipo P; O sea loshuecos de la zona p se mueven hacia la zona n ylos electrones de la zona n hacia la zona p, pro-duciéndose por consiguiente, una inyección deportadores minoritarios.

Ambos desplazamientos de cargas constitu-yen la corriente que circula por el diodo. Si loselectrones y huecos están en la misma región,pueden recombinarse, esdecir, los electrones pue-den pasar a "ocupar" loshuecos, "cayendo" desdeun nivel energéticosuperior a otro inferiormás estable.

La figura 3 muestrala disposición de porta-dores de un diodo emi-

sor de luz con la unión polarizada en sentidodirecto.

Cuando estos portadores se recombinan, seproduce la liberación de una cantidad de energíaproporcional al salto de banda de energía delmaterial semiconductor. Una parte de esta energíase libera en forma de luz, mientras que la parterestante lo hace en forma de calor, estando deter-minadas las proporciones por la mezcla de losprocesos de recombinación que se producen.

La energía contenida en un fotón de luz esproporcional a su frecuencia, es decir, su color.Cuanto mayor sea el salto de banda de energía delmaterial semiconductor que forma el LED, máselevada será la frecuencia de la luz emitida.

La figura 4 reproduce un diodo emisor de luzcon la unión polarizada en sentido directa.

Aplicaciones de los LED

En la figura 5 podemos ver varios tipos dediodos Led.

Los diodos infrarrojos (IRED) se empleandesde media-dos del sigloXX en man-dos a distan-cia de televi-sores, habién-dose genera-lizado su uso



Figura 4

Figura 5


en otros electrodomésticos como equipos de aireacondicionado, equipos de música, etc. y engeneral para aplicaciones de control remoto, asícomo en dispositivos detectores. Los LED seemplean con profusión en todo tipo de indicado-res de estado (encendido/apagado) en dispositi-vos de señalización (de tránsito, de emergencia,etc.) y en paneles informativos. También seemplean en el alumbrado de pantallas de cristallíquido de teléfonos móviles, calculadoras, agen-das electrónicas, etc., así como en bicicletas yusos similares. Existen además impresoras LED.

También se usan los LED en el ámbito de lailuminación (incluyendo la señalización de tráfi-co) es moderado y es previsible que se incremen-te en el futuro, ya que sus prestaciones son supe-riores a las de la lámpara incandescente y la lám-para fluorescente, desde diversos puntos de vista.La iluminación con LED presenta indudablesbeneficios.

Se utiliza ampliamente en aplicaciones visua-les, como indicadoras de cierta situación específi-ca de funcionamiento y desplegar contadores:

- Para indicar la polaridad de una fuente dealimentación de corriente continua.

- Para indicar la actividad de una fuente dealimentación de corriente alterna.

- En dispositivos de alarma.

Ventajas de los LED

Fiabilidad, mayor eficiencia energética,mayor resistencia a las vibraciones, mejor visiónante diversas circunstancias de iluminación,menor disipación de energía, menor riesgo para elmedio ambiente, capacidad para operar de formaintermitente de modo continuo, respuesta rápida,etc. Así mismo, con LED se pueden producirluces de diferentes colores con un rendimientoluminoso elevado, a diferencia de muchas de laslámparas utilizadas hasta ahora, que tienen filtros

para lograr un efecto similar (lo que supone unareducción de su eficiencia energética). Todo ellopone de manifiesto las numerosas ventajas quelos LED ofrecen. También se utilizan en la emi-sión de señales de luz que se trasmiten a través defibra óptica.

Desventajas de los LED

Las desventajas del diodo LED son que supotencia de iluminación es tan baja, que su luz esinvisible bajo una fuente de luz brillante y que suángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°.Este último problema se corrige con cubiertasdifusores de luz.

Conexión de los LED

Para conectar LED de modo que iluminen deforma continua, deben estar polarizados directa-mente, es decir, con el polo positivo de la fuentede alimentación conectada al ánodo y el polonegativo conectado al cátodo. Además, la fuentede alimentación debe suministrarle una tensión odiferencia de potencial superior a su tensiónumbral. Por otro lado, se debe garantizar que lacorriente que circula por ellos no exceda los lími-tes admisibles (esto se puede hacer de forma sen-cilla con una resistencia R en serie con los LED).Unos circuitos sencillos que muestran cómo pola-rizar directamente un LED son los que se mues-tran en la figura 6.

La Física del LED

Como dijimos, los diodos emisores de luzvisible son utilizados en grandes cantidades comoindicadores piloto, dispositivos de presentaciónnumérica y dispositivos de presentación debarras, tanto para aplicaciones domésticas como




para equipos industriales, esto es debido a susgrandes ventajas que son: peso y espacio insigni-ficantes, precio moderado, y en cierta medida unapequeña inercia, que permite visualizar no sola-mente dos estados lógicos sino también fenóme-nos cuyas características varían progresivamente.Como otros dispositivos de presentación, losLeds pueden proporcionar luz en color rojo,verde y azul. El material de un Led está com-puesto principalmente por una combinaciónsemiconductora.

El GaP se utiliza en los Leds emisores de luzroja o verde; el GaAsP para los emisores de luzroja, anaranjada o amarilla y el GaAlAs para los

Leds de luz roja. Para los emisores azules se hanestado usando materiales como SiC, GaN, ZnSe yZnS.

El fenómeno de emisión de luz está basado enla teoría de bandas, por la cual, una tensión exter-na aplicada a una unión P-N polarizada directa-mente, excita los electrones, de manera que soncapaces de atravesar la banda de energía quesepara las dos regiones.

Si la energía es suficiente los electrones esca-pan del material en forma de fotones.

Cada material semiconductor tiene determina-das características y por tanto una longitud de



Figura 6


onda de la luz emitida. La tabla 2 muestra las lon-gitudes de onda de algunos compuestos de Galio.

A diferencia de la lámparas de incandescenciacuyo funcionamiento es por una determinada ten-sión, los Led funcionan por la corriente que losatraviesa. Su conexión a una fuente de tensiónconstante debe estar protegida por una resistencialimitadora, veremos más adelante algunos ejem-plos.

Teoría de Bandas

En un átomo aislado los electrones puedenocupar determinados niveles energéticos perocuando los átomos se unen para formar un cristal,las interacciones entre ellos modifican su energía,de tal manera que cada nivel inicial se desdoblaen numerosos niveles, que constituyen unabanda, existiendo entre ellas huecos, llamadosbandas energéticas prohibidas, que sólo puedensalvar los electrones en caso de que se les comu-nique la energía suficiente.

La teoría de bandas constituye una explica-ción alternativa del comportamiento de los mate-riales semiconductores. Se basa en el hecho deque los electrones de un átomo aislado se distri-buyen según ciertos niveles energéticos, denomi-nados órbitas u orbitales, en torno al núcleo.Cuando los átomos se unen unos con otros paraformar un sólido, se agrupan de manera ordenadaformando una red cristalina. En este caso, debidoa la proximidad de los átomos entre sí, las órbitasen las que se encuentran los electrones de cadaátomo se ven afectadas por la presencia de los

átomos vecinos. De hecho, dichas órbitas se sola-pan entre sí, dando lugar a la aparición de unaszonas o bandas continuas en las que se puedenencontrar los electrones, y que reciben el nombrede bandas de energía.

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

La Banda de Valencia:

Está ocupada por los electrones de valencia delos átomos, es decir, aquellos electrones que seencuentran en la última capa o nivel energético delos átomos. Los electrones de valencia son losque forman los enlaces entre los átomos, pero nointervienen en la conducción eléctrica.

La Banda de Conducción:

Está ocupada por los electrones libres, esdecir, aquellos que se han desligado de sus áto-mos y pueden moverse fácilmente. Estos electro-nes son los responsables de conducir la corrienteeléctrica.

En consecuencia, para que un material seabuen conductor de la corriente eléctrica debetener electrones en la banda de conducción.Cuando la banda esté vacía, el material se com-portará como un aislante.

Entre la banda de valencia y la de conducciónexiste una zona denominada banda prohibida ogap (GAP), que separa ambas bandas y en la cualno pueden encontrarse los electrones.

La conducción de la corriente eléctrica segúnla teoría de bandas

La estructura de bandas de un material permi-te explicar su capacidad para conducir o no lacorriente eléctrica. Según esto podemos distin-guir tres casos, representados en la figura 7.

En los materiales conductores, las bandas seencuentran muy próximas y la banda de conduc-ción está ocupada por electrones libres, desliga-



Tabla 2


dos de sus átomos, que pueden moverse fácil-mente y pasar de unos átomos a otros. Este tipode estructura de bandas corresponde a materialesque pueden conducir la corriente eléctrica.

Sin embargo, en los materiales aislantes labanda de conducción se encuentra vacía, pues nohay electrones libres, de modo que no puedenconducir la corriente eléctrica. La banda que estáocupada en este caso es la banda de valencia,pero estos electrones no pueden moverse libre-mente.

Los materiales semiconductores tienen unaestructura de bandas semejante a la de los aislan-tes, es decir, la banda de conducción está vacía (y,en consecuencia, no conducen la corriente eléc-trica). Sin embargo, en este caso la banda prohi-bida es muy estrecha, de forma que la banda devalencia se encuentra muy próxima a la de con-ducción. Esta situación permite que, si se comu-nica una pequeña cantidad de energía al material,algunos electrones de la banda de valencia pue-dan «saltar» a la de conducción, lo que quieredecir que se desligan de sus átomos y se hacenlibres. Al tener ocupada la banda de conducción,el material se comportará como conductor.Entonces, repitiendo, en los aislantesla banda inferior menos energética(banda de valencia) está completa conlos e- más internos de los átomos,pero la superior (banda de conduc-ción) está vacía y separada por unabanda prohibida muy ancha (~ 10 eV;aproximadamente 10 electrón volt),imposible de atravesar por un electrón(e-). En el caso de los conductores las

bandas de conducción y de valencia se encuen-tran superpuestas, por lo que cualquier aporte deenergía es suficiente para producir un desplaza-miento de los electrones. Entre ambos casos seencuentran los semiconductores, cuya estructurade bandas es muy semejante a los aislantes, perocon la diferencia de que la anchura de la bandaprohibida es bastante pequeña. Los semiconduc-tores son, por lo tanto, aislantes en condicionesnormales, pero una elevación de temperatura pro-porciona la suficiente energía a los electronespara que, saltando la banda prohibida, pasen a lade conducción, dejando en la banda de valencia elhueco correspondiente. En el caso de los diodosLed los electrones consiguen saltar fuera de laestructura en forma de radiación que percibimoscomo luz (fotones).

Composición de los Leds

Vamos a retomar la explicación de los com-puestos de los diferentes LED a efectos de poderrealizar una introducción matemática



Figura 7

Figura 8


Led rojo

Formado por GaP consiste en una unión p-nobtenida por el método de crecimiento epitaxialdel cristal en su fase líquida, en un substrato. Lafuente luminosa está formada por una capa decristal p junto con un complejo de ZnO, cuyamáxima concentración está limitada, por lo quesu luminosidad se satura a altas densidades decorriente.

Este tipo de Led funciona con baja densidadesde corriente ofreciendo una buena luminosidad,utilizándose como dispositivo de visualización enequipos portátiles.

El constituido por GaAsP consiste en una capap obtenida por difusión de Zn durante el creci-miento de un cristal n de GaAsP, formado en unsubstrato de GaAs, por el método de crecimientoepitaxial en fase gaseosa. Actualmente se emplealos Led de GaAlAs debido a su mayor luminosi-dad. El máximo de radiación se halla en la longi-tud de onda 660 nm. La composición la puede veren la figura 8. Para una mayor comprensión sobrela respuesta de cada dispositivo, es decir, la lon-gitud de onda de la señal que emite, puede con-sultar la figura 9.

Led anaranjado y amarillo

Los Led que emiten luz amarilla están com-puestos por GaAsP al igual que sus hermanos los

rojos pero en este caso para conseguir luz anaran-jada y amarilla así como luz de longitud de ondamás pequeña, lo que hacemos es ampliar el anchode la “banda prohibida” mediante el aumento defósforo en el semiconductor.

Su fabricación es la misma que se utiliza paralos diodos rojos, por crecimiento epitaxial delcristal en fase gaseosa, la formación de la uniónP-N se realiza por difusión de Zn.

Como novedad importante en estos Leds semezcla el área emisora con una trampa isoelec-trónica de nitrógeno con el fin de mejorar el ren-dimiento.

Led Verde

El Led verde está compuesto por GaP. Se uti-liza el método de crecimiento epitaxial del cristalen fase líquida para formar la unión P-N.

Al igual que los Leds amarillos, también seutiliza una trampa isoelectrónica de nitrógenopara mejorar el rendimiento.

Debido a que este tipo de Led posee una bajaprobabilidad de transición fotónica, es importan-te mejorar la cristalinidad de la capa N.

La disminución de impurezas a larga la vidade los portadores, mejorando la cristalinidad. Sumáxima emisión se consigue en la longitud deonda 555 nm.



Figura 9


Criterios de Elección de un LED para un Proyecto

Dimensiones y Color del Diodo

Los Leds tienen diferentes tamaños,formas y colores. Tenemos Leds redondos,cuadrados, rectangulares, triangulares ycon diversas formas. Los colores básicosson rojo, verde y azul, aunque podemosencontrarlos naranjas, amarillos inclusohay un Led de luz blanca. Las dimensionesen los Led redondos son 3mm, 5mm,10mm y uno gigante de 20mm. Los de formaspoliédricas suelen tener unas dimensiones aproxi-madas de 5x5mm.

Ángulo de vista

Esta característica es importante, pues de elladepende el modo de observación del Led, es decir,el empleo práctico de aparato realizado. Cuando elLed es puntual la emisión de luz sigue la ley deLambert, permite tener un ángulo de vista relativa-mente grande y el punto luminoso se ve bajo todoslos ángulos, tal como se ejemplifica en la figura 10.

Luminosidad

La intensidad luminosa en el eje y el brilloestán intensamente relacionados. Tanto si el Ledes puntual o difusor, el brillo es proporcional a lasuperficie de emisión. Si el Led es puntual, elpunto será más brillante, al ser una superficiedemasiado pequeña. En uno difusor la intensidaden el eje es supe-rior al modelopuntual.

Consumo

El consumodepende muchodel tipo de Ledque elijamos, enla tabla 3 pode-

mos observar el consumo para los dispositivosmás comunes.

Estructura de un Led

Ya hemos visto que los Led están formadospor el material semiconductor que está envueltoen un plástico traslúcido o transparente según losmodelos. En la figura 11 podemos observar ladistribución interna.

El electrodo interno de menor tamaño es elánodo y el de mayor tamaño es el cátodo. Los pri-meros Leds se diseñaron para permitir el paso dela máxima cantidad de luz en dirección perpendi-cular a la superficie de montaje, más tarde sediseñaron para difundir la luz sobre un área másamplia gracias al aumento de la producción de luzpor los Leds.

Cuando la corriente aplicada al diodo es sufi-



Tabla 3

Figura 10


ciente para que entre en conducción, emitirá unacierta cantidad de luz que dependerá de la canti-dad de corriente y la temperatura del Led. Laluminosidad aumentará según aumentemos laintensidad pero habrá que tener en cuenta lamáxima intensidad que soporta el Led. Antes deinsertar un diodo en un montaje tendremos quesaber cuál es el color del diodo para saber quécaída de tensión tendrá entre sus contactos y cuáles la corriente que podrá circular, a los fines depoder realizar cálculos posteriores. En la tabla 4puede tomar los parámetros eléctricos necesarios,en función del diodo seleccionado.

Circuito Básico en Continua

La resistencia de limitación del circuito de lafigura 12 la puede calcularse a partir de la fórmu-la:

V - Vled

R = –––––––––––

I

Si expresamos V en voltios e I en miliampe-rios el valor de la resistencia vendrá directamen-te expresado en kiloohm. También hay que teneren cuenta el calor disipado por en la resistencia,se calcula por la Ley de Joule.

Potencia = I2 R

Donde I es la intensidad que atravesará aldiodo y R la resistencia calculada en el apartadoanterior.

Asociación de Leds

Serie

Los diodos se pueden conectar en serie siem-



Figura 11

Tabla 4

Figura 12


pre que la suma de las caídas de tensión seamenor que la tensión de alimentación. La fórmu-la a utilizar para el cálculo de la resistencia limi-tadora es:

V - (N . Vled)

R = ––––––––––––––

I

Donde N es el número de Leds conectados enserie. Para comprender esta disposición, vea lafigura 13.

Paralelo

Para conectar varios Leds en paralelo solotendremos que calcular el valor para un Leds yluego los ponemos como se muestra en la figura14. En este caso habrá que tener cuidado con laintensidad de la fuente de alimentación que debe-rá ser superior a la suma de todos los Leds.

Ejemplo:

Supongamos que la tensión de alimentaciónes de 12 volt y vamos a utilizar un diodo Led decolor rojo por el que circulará una corriente de5mA. La resistencia limitadora será:

12V - 1,3V

R = ––––––––––––––––– = 2,14kΩ

0,005A

Utilizaremos un resisten-cia normalizada (ver listanormalizada) de valor 2k2,con esta resistencia la intensi-dad real que circulará es de4,86mA. Valor lo más próxi-mo al teórico. El cálculo de lapotencia lo vamos a realizarcon la Ley de Joule con lo

que resulta-do queda P =0.055W, esd e c i r ,55mW; portanto, bastacon utilizaruna resisten-cia de 1/4de watt(250mW) de2k2 en seriecon el diodoLed.

Comportamiento con Corriente Alterna

Si queremos conectar un Led a un circuito enalterna tendremos que tener en cuenta que en lacorriente alterna existen tensiones positivas ynegativas que se van alternado en una duraciónque será la mitad de la frecuencia, este punto esimportante debido a que los diodo tienen una ten-sión de funcionamiento en polarización directa yotra en la inversa y podremos sobrepasarla parano destruir la unión semiconductora. Para ellotenemos dos opciones:

1ª Solución:

Consiste en colocar un diodo en oposición al



Figura 13

Figura 14


Led, de forma que cuando no conduzca el Ledconduzca el diodo, y a la inversa, lo que suponeuna caída de tensión de 0,7 volt en el diodo, nosuperando los 3 volt de ruptura del Led. Con estoevitamos la destrucción cuando está polarizadoinversamente, pero tendremos que limitar la ten-sión y eso lo podremos conseguir con una resis-tencia en serie que calcularemos con la fórmulaque utilizamos cuando describimos el circuitobásico en continua. La potencia podremos calcu-larla con la Ley de Joule, utilizando el circuito dela figura 15.

Vamos a calcular un pequeño ejemplo prácti-co: Sea un diodo Led con una caída de tensión de1,2 volt y un intensidad máxima de 20mA, que sedesea conectar a una tensión alterna de 220 volt.

220V - Vdl1

R = –––––––––––––––––

Idl1

220V - 1,2V

R = –––––––––––––––––– = 22kΩ

10mA

La potencia será de:

P1 = VR1 x Il1 =

P1 = (220V -1,2V) x 10mA » 3W

Un inconveniente de esta solución es que laresistencia será muy voluminosa al tener una

potencia considerable.

2ª Solución:

Para evitar poner un resistencia de 3W podre-mos colocar un condensador que se comportarácomo un resistencia al estar frente a una tensiónalterna. Al igual que en el circuito anterior ten-dremos que limitar la intensidad del circuito,como ejemplo vamos a utilizar los datos anterio-res y el circuito de la figura 16. En este caso Rsnos sirve para limitar la intensidad cuando el con-densador está descargado ya que se produciría unpico considerable que no soportaría el Led, comovalor máximo de pico que puede soportar el Ledtenemos:

Ipico = 220V / 1kΩ = 220mA.

Por tanto el valor de la resistencia será:

220V

Rs = ––––––––––––– = 1kΩ

220mA

VRs = 1kΩ x 10mA = 10V

Rs = 1kΩ, 1/4W

Para calcular el valor del condensador setendrá en cuenta que la tensión en el con-densador está desfasada 90º con respecto a la



Figura 15

Figura 16


tensión en la resistencia y en el diodo así que apli-cando cálculos tendremos que:

VC = [( 220V)2 - (VR + VLED)2 ]1/2 =

VC = [( 220V)2 - (11,2V)2 ]1/2 =

VC = 219,7V

Siendo la intensidad del condensador Ic =10mA. La resistencia capacitiva será, tomando unvalor normalizado:

Xc = 22kΩ

219,7V

Xc = ––––––––––– =

10mA

La capacidad del condensador será:

1

C = ––––––––––––––––– =

2 x p x f x Xc

1

C = ––––––––––––––––––––– = 150nF

100 x p x 22 x 103

Podemos ver que con esta solución reducimosel valor de la resistencia sustituyéndola por uncondensador de 150nF que tenga una tensión de

trabajo de 400V alser los 220 efica-ces. Como ventajastenemos que no estan voluminoso yal haber sustituidola resistencia de3W no tendremosuna disipación decalor tan grande.

Circuitos de Iluminación con LED

La alimentación de un LED, de modo que porél circule una corriente, produce en él una conse-cuente disipación de potencia, y por ello una ele-vación de su temperatura.

En la elaboración de proyectos pueden emple-arse desde circuitos simples de alimentación(cuando la potencia disipada es reducida) hastafuentes de alimentación conmutadas y de poten-cia, cuando la disipación es grande.

Por ello, al tener que diseñar circuitos de ilu-minación con LED tenemos que tener en cuentadiversos aspectos que trataremos a continuación.

Displays de Múltiples LEDs de Baja Intensidad

El circuito básico de alimentación de un LEDse compone de una fuente de alimentación, unaresistencia limitadora de corriente, y el LED, talcomo se muestra en la figura 17.

VBAT = VLED + ILED.R

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

Un modelo más cercano a la realidad de lacurva exponencial de respuesta de un LED puedelograrse con un diodo ideal (con caída en directanula), una resistencia interna RLED, y un voltajeumbral VTH (que depende del color del LED), talcomo podemos ver en la figura 18.

La tensión en un diodo infrarrojo, la tensiónVTH puede ser algo más que 1V, y en uno azulcerca de cuatro volt; en cuanto a RLED, un valortípico en diodos de baja potencia, es de cerca de10 ohm.



Figura 17


Cuando se desea excitar más de un LED, lasolución consiste en replicar el circuito previotantas veces como LEDs haya que excitar. En lafigura 19, si la salida A va a una tensión positiva,mayor a VTH, el diodo D1 se enciende. Si el vol-taje es menor a VTH no circula corriente y elLED D1 no emite luz.

Un caso típico de LED múltiple es el de undisplay numérico de 7 segmentos + punto, donde8 LEDs se montan en un solo encapsulado, demodo de representar los números 0 a 9, el puntodecimal, y otras combinaciones especiales. Losdisplays de 7 segmentos se caracterizan por unirtodos los cátodos (como en la figura 20, donde sedice que es un display de cátodo común), o todoslos ánodos (ánodo común). Estos displays tam-bién se caracterizan por el color de los LEDsempleados, y por su tamaño.

Para representar números y letras también

pueden encontrarse dis-plays de 14 segmentos omatrices (el caso máscomún es el de matricesde 35 LED organizadoscomo 7 filas de 5 LED).

El uso de una líneade control y una resis-tencia por cada LEDlleva a circuitos innece-sariamente complejos,por lo que es usualemplear técnicas máselaboradas pero que pro-ducen soluciones máseconómicas.

Por ejemplo, toman-do como ejemplo el cir-cuito de la figura 21, sien el caso previo del cir-cuito con dos LED se sabe que sólo uno va a estarencendido por vez. En este caso, si la salida Aestá a VBAT (tensión de alimentación o tensiónde batería) y B está a 0V (GND), sólo se encen-derá el LED D1. Aquí debemos hacer una consi-deración importante en relación al LED D2.Como el ánodo de D1 está al voltaje VBAT, sucátodo estará al voltaje (VBAT-VTH), al igualque el cátodo de D2. Pero como el ánodo de D2está a GND, resulta que D2 queda polarizado eninversa. Es importante tener cuidado en que latensión -(VBAT-VTH) no supere la tensión deruptura en inversa del LED, debido a que casitodos los LED suelen tener una tensión de ruptu-ra inversa reducida (nótese que si la salida B sedejada abierta o en alta impedancia, este proble-ma desaparece).

Circuitos de Múltiples LEDs

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



Figura 18

Figura 19

Figura 20

Figura 21


multiplexado. En este caso cada LED se enciendeo no por la aplicación de pulsos de tensión, conuna frecuencia de repetición dada y una relaciónde trabajo. En este caso debemos tener en cuentalo siguiente:

La frecuencia de repetición aprovecha el efec-to de “persistencia de una imagen en la retina”,es decir, por más que una imagen se muestre enforma pulsada, parece como permanente si la fre-cuencia de repetición es mayor a 25Hz (junto a lacapacidad de procesar imágenes del cerebro, esteefecto produce la aparente sensación de movi-miento del cine o la televisión). La frecuencia derepetición más recomendable depende de la apli-cación, también si el display y el observadorestán quietos o se mueven, pero en general sueleser desde 50Hz a unos pocos cientos de Hertz;para frecuencia mucho mayores la respuesta delojo decae y las pérdidas eléctricas por conmuta-ción del circuito de multiplexado aumentan.

El período de repetición puede usarse paraactuar sucesivamente sobre distintos LEDs, y enese caso cada LED sólo dispone de unafracción del tiempo total. Esta relación detrabajo (tiempo disponible para prender ono el LED dentro del período de repetición)permite simplificar los circuitos pero a suvez plantea exigencias de sobre-excitacióndel LED en ese tiempo, de modo de mante-ner un brillo adecuado. A su vez, controlan-do el ciclo de actividad o relación de traba-jo podemos controlar el brillo del LED.

El circuito de la figura 22 permite con-trolar cuatro LEDs usando dos resistenciasy cuatro puertas de control. Si la salida Aestá a VBAT (tensión de alimentación) y lasalida B está a 0V (GND), poniendo a GNDlas salidas C y D hará que se enciendan losLEDs D1 y D3. Si es la salida B la que estáa VBAT, mediante las salidas C y D se con-trola a los LEDs D2 y D4. En este caso,cada LED sólo dispone de un 50% del tiem-

po total para estar o no prendido, con lo que laintensidad media emitida es sólo la mitad, lo quedebe ser compensado con mayor corriente deexcitación.

Un ejemplo habitual del uso de LEDs multi-plexados se presenta en los displays numéricos.En el circuito de la figura 23, con ocho resisten-cias, tres líneas de selección de dígito y ocho líne-as de selección de segmentos y punto decimal, es



Figura 23

Figura 22


posible representar un número de tres cifras (21LEDs) empleando sólo once líneas de control.

El circuito emplea pocos componentes, peronecesita mayor corriente de excitación de losLEDs (cuya relación de trabajo máxima pasa aser de 33%) y una lógica que realice la tarea demultiplexado (ya sea una circuito dedicado o unarutina de software de un microcontrolador).

Otra forma de multiplexar el control de LEDses usando diodos en oposición. Este tipo de con-figuración es típico en LED bicolores y se mues-tra en la figura 24. Si la salida A está a VBAT y lasalida B a GND se prende el LED D2; si la sali-da A está a GND y la salida B a VBAT se prendeel LED D1. Y si ambas salidas están a idénticopotencial (no importa cuál) no se enciende nin-gún LED.

En este circuito, mientras un LED está encen-dido el otroestá polari-zado eninversa, locual no suelegenerar pro-blema ya

que la caída de tensión en un LEDen directa es inferior a la tensión deruptura inversa del otro LED; estecaso puede ser riesgoso si en vez desólo un LED se conecta en cadarama varios LEDs en serie.

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

Las puertas de entrada/salida de los microcon-troladores, en general, se pueden configurarcomo salida (en '0' o en '1') o como entrada (cuan-do son entradas presentan alta impedancia.

En la figura 25 se muestra cómo, con sólo tresresistencias y usando tres líneas de entrada/salidaA, B y C, es posible multiplexar seis diodos LED,lo que implica una relación de trabajo máxima de1/6, es decir de cerca del 17%.

Si, por ejemplo, la salida A está a VBAT, lasalida B en alta impedancia y la salida C a GND,la corriente circula por R1, D5 y R3.

Por R2 no puede circular corriente porque lasalida B está en alta impedancia, los diodos D3,D4 y D6 están polarizados en inversa y, si bienD1 y D2 están polarizados en directa, la suma desus tensiones de umbral duplica la del diodo D5,por lo que no se encienden.

Dados los posibles caminos y sentidos de lascorrientes, las resistencias R1, R2 y R3 deben serde igual valor y ser calculadas para que regulen lacorriente que circula por los LED, es decir, encada resistencia la caída de tensión debe ser:

ILED x R = (VBAT-VLED)/2

La tabla 5 muestra las distintas combinacionesde A, B y C y los LED que se encienden en cadacaso. De las 27 combinaciones posibles (tres sali-das con tres valores), hay sólo 6 de utilidad paraexcitar un LED por vez. Este tipo de multiplexa-do suele denominarse “charlieplexing”, haciendoreferencia a Charlie Allen, un ingeniero que pro-



Tabla 5

Figura 25

Figura 24


puso su uso como técnica de multiplexado. Másallá de los problemas de corriente pulsante queaparecen cuando la relación de trabajo máximadisminuye, lo valioso de este método es el usolimitado de líneas de control. Como fórmula útil,con N líneas de control y usando N resistencias,esta técnica de multiplexado permite controlar [N. (N-1)] diodos LED.

Por ejemplo, la figura 26 muestra cómo esposible manejar hasta 12 LED usando sólo 4 líne-as de control [12 = 4 x (4-1)]. Si bien este circui-to puede ser útil, su mayor limitación es que larelación de trabajo máxima de cada LED es de1/12, es decir apenas un 8,3%. Manteniendo laeficiencia de uso de líneas de control, el proble-ma de la disminución de la relación de trabajo delcharlieplexing puede reducirse con el agregadode N transistores (PNP en este caso). La figura 27muestra cómo es posible controlar 6 LEDspudiendo prender de hasta dos por vez (con loque la relación de trabajo máxima se duplica, de1/6 a 1/3).

Para entender la operación del circuito, tóme-se por ejemplo R1 y Q1, si la salida A está aVBAT y por ello entregando corriente, la caída detensión en R1 polariza al transistor Q1 en inver-sa, con lo que permanece cortado, sin influir en elcircuito.

Si, en cambio, A está a GND (absorbiendocorriente), al circular corriente por R1 la junturabase-emisor de Q1 queda en directa, y una vezque la caída de tensión en R1 llega a cerca de0,7V el transistor comienza a conducir, derivandola corriente a GND a través de su colector; poresta razón, el emisor de Q1 queda “enclavado” a0,7V, independientemente de la corriente que cir-cule. Si se desean encender dos LEDs a la vez(por ejemplo D1 y D4) las salidas A y C debenestar a VBAT y la salida B a GND. Con ello elemisor de Q2 queda en 0,7V, y las resistencias R1y R3 definen la corriente que circula por D1 yD4, respectivamente. En este caso, para calcularel valor de R1, R2 o R3 se debe usar:

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

La tabla 6 muestra las combinaciones de A, By C y los LED que se encienden. De los 27 casosposibles (tres salidas con tres valores), ahora hay6 útiles para encender de a un LED y tres paraprender de a dos LED por vez.

Las ventajas de esta solución son mayores alaumentar la cantidad de LED: en forma general,usando N salidas de control la relación de trabajomáxima queda acotada a 1/N y pueden ser pren-didos entre 1 y N-1 LED a la vez. En el ejemplode la figura 26, con sólo agregar 4 transistores larelación de trabajo máxima crece de 8,3% a 25%disminuyendo en igual proporción las corrientesde pico por los LED y del circuito en general.



Figura 26

Figura 27


Soluciones de Hardware

Para excitar displays de pocos LED es posibleusar las técnicas de multiplexado y las puertas deentrada/salida de los microcontroladores. Sinembargo, hay casos en que conviene el uso de cir-cuitos especializados:

Cuando crece la cantidad de LED: es el casode un cartel alfanumérico de muchos caracteres,por ejemplo; en este caso es necesario usar cir-cuitos auxiliares, y existen dispositivos especiali-zados con muchas funciones auxiliares. Cuandola potencia aumenta: en display de alta potenciaes importante el uso eficiente de energía, parasimplificar los problemas de sobrecalentamientoy disipación de energía.

Cuando se usan LED azules o blancos: por suelevada caída de voltaje en directa.

El Circuito Integrado TLC5916/5917

El TLC5916 de Texas Instruments proporcio-na una solución simple para la excitación de hasta8 LED con corrientes reguladas, la posibilidad dedetectar LED fallados (abiertos) y sobrecalenta-miento.

El TLC5916/TLC5917 contiene un registro dedesplazamiento de 8 bits y memorias adicionales,mediante los cuales convierten datos ingresadosen forma serie a paralelo. Los datos pueden seringresados en forma serial mediante las líneas

SDI y CLK a una velocidad dehasta 30 Megabit por segundo, loque es de importancia en displaycomplejos, transferidos a la memo-ria paralela mediante la línea LE.

Una línea adicional (OE) per-mite habilitar o no a las fuentes decorriente. Estos valores lógicoscontrolan 8 fuentes de corrienteregulada, para excitar los LED congran uniformidad, sin necesidad de

una resistencia en serie con cada LED, y sin queesa corriente dependa de VBAT (que puede valerhasta 17V). El valor de corriente es ajustadoentre 5mA y 120mA con una resistencia de pro-gramación Rext. Además del modo de operaciónnormal, el TLC5916 posee un modo “especial”de operación (al que se ingresa combinando laslíneas LE, OE y CLK) en el cual es posible:

Detectar si algún LED se encuentra abierto, ycopiar al shift-register el estado de los LED.

Ajustar en forma digital la corriente progra-mada con Rext en 256 pasos, de 1/12 a 127/128,para ajustar con precisión de hasta 1% la dis-persión entre dispositivos en display de muchosLED.

El Circuito Integrado TLC5920

En casos en que se desea excitar un displaymultiplexado, el TLC5920 proporciona 16 fuen-tes de corriente simultáneas de hasta 30mA y 8manejadores del punto común, de hasta 480mA.Con un TLC5920 es posible controlar hasta 128LED organizados como una matriz de 16 arreglosde 8 LED con cátodo común. El ingreso del esta-do SI/NO de cada fuente de corriente es realizadoen forma serial, y luego los 16 bits pueden trans-ferirse a la vez a otra etapa de registros. Es impor-tante notar que este dispositivo NO posee memo-ria interna, sino que el control de multiplexado esrealizado externamente.



Tabla 6


El Circuito Integrado TLC5940

Este integrado permite controlar 16 LED pordispositivo, con una gran gama de prestacionesprogramables de alta performance (la figura 14muestra un ejemplo simple, donde dos TLC5940son usados para controlar 32 LED). Sus caracte-rísticas más destacables son:

Tiene una EEPROM interna para almacenar6 bits por cada LED, para compensar las dife-rentes respuestas de los LED en 64 pasos.

Puede controlar la relación de trabajo decada LED desde un 100% hasta el 0% en 4096pasos, de modo de poder generar gamas de brillo(“grayscaling”).

Programables en forma serie sincrónica auna frecuencia de hasta desde 30MHz.

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

La repetibilidad de comportamiento es de un2,7% (típico) entre dispositivos, y de 1% entredistintos canales del mismo dispositivo.

De más está decir que lodado en este manual es sólouna inrtroducción al tema.Por razones de espacio nopodemos reproducir todo elmaterial... hay mucho paradescribir y analizar, comopor ejemplo el diodo láser,diodos de alto brillo, etc. SiUd. desea ampliar sus cono-cimientos, puede descargarde nuestra web un curso bási-co de 6 lecciones sobre“Proyectos de Iluminacióncon LEDs”; para ello, debedirigirse a www.webelectro-nica.com.ar, haga click en elícono password e ingrese laclave: proyled.

Simplemente, con fines ilustrativos, en lafigura 28 se muestra un secuenciador de potenciamicrocontrolado con PIC. En nuestra web encon-trará una gran cantidad de proyectos.

Bibliografía

Alexander Ventura

http://www.iearobotics.com/personal/ricar-do/articulos/diodos_led/index.html

Ricardo Gómez González aka EagleMan

http://www.kalipedia.com/geografia-colom-b i a / t e m a / t e o r i a - b a n d a s . h t m l ? x=20070822klpingtcn_123.Kes&ap=3

http://www.lamarihuana.com/foros/faq-f 2 2 / c o n c e p t o s - i l u m i n a c i o n - l e d s - k n n a -t90701.html

http://www.elkonet.com/iweb/files_registra-cion/25czoyMjoiZXhjaXRhY2lvbitkZStsZWRzLnBkZiI7.pdf



Figura 28


ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Y CELDAS SOLARES


Eneregía Solar Fotovoltáica

Y CELDAS SOLARES

Tal como encontramos en las enciclopedias, la energía solar es la energía obte-nida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. La radiaciónsolar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produ-ce a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticoso de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente delgrupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde. Si bien,al final de su vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo con-taminante difícilmente reciclable al día de hoy. La potencia de la radiación varíasegún el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y lalatitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor essuperior a los 500 watt por cada metro cuadrado de superficie sobre el nivel delsuelo. A esta potencia se la conoce como irradiancia. Las celdas o células sola-res son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea direc-tamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conver-sión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de lasceldas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobreun dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovol-taje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir unacorriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.


Introducción

Es la energía radiante producida en el Sol comoresultado de reacciones nucleares. Llega a la Tierraen forma de radiación a través del espacio en cuan-tos de energía llamados fotones, que interactúan conla atmósfera y la superficie terrestres.

La energía solar es generada por la llamadafusión nuclear que es la fuente de todas las estrellasdel universo. La intensidad de la radiación solar en

el borde exterior de la atmósfera, si se considera quela Tierra está a su distancia promedio del Sol, sellama constante solar, y su valor medio es 2cal/min/cm2. Sin embargo, esta cantidad no es cons-tante, ya que parece ser que varía un 0,2% en unperíodo de 30 años. La intensidad de energía realdisponible en la superficie terrestre es menor que laconstante solar debido a la absorción y a la disper-sión de la radiación que origina la interacción de losfotones con la atmósfera.

La intensidad de energía solar disponible en un



Figura 1


punto determinado de la Tierra depende, de formacomplicada pero predecible, del día del año, de lahora y de la latitud.

Además, la cantidad de energía solar que puederecogerse depende de la orientación del dispositivoreceptor.

El hombre puede transformar la energía solar enenergía térmica o eléctrica (figura 1). En el primercaso la energía solar es aprovechada para elevar latemperatura de un fluido, como por ejemplo el agua.Y en el segundo caso la energía luminosa del Sol estransportada por sus fotones de luz, incide sobre lasuperficie de un material semiconductor, ejemplo:el silicio que forma las células fotovoltaicas, fabri-cadas para que mediante de éstas los colectoressolares capten la energía y puedan almacenarla enlos acumuladores, produciendo el movimiento deciertos electrones que componen la estructura ató-mica de la materia.

Un movimiento de electrones produce unacorriente eléctrica que se utiliza como fuente deenergía de componentes eléctricos o bien electróni-cos. Es el caso del principio de funcionamiento delas calculadoras solares.

Estas centrales de energía solar están en todo elmundo. En latitudes de 60º, cada metro cuadrado de

un colector solar recibe unos mil kilowatt / hora deenergía solar en un año y puede usar aproximada-mente la mitad de esa energía para calentar agua. Enlatitudes de 35º, un colector parecido recibe eldoble.

Energía Fotovoltaica

Los sistemas de energía fotovoltaica permiten latransformación de la luz solar en energía eléctrica,es decir, la conversión de una partícula luminosacon energía (fotón) en una energía electromotriz(voltaica).

El elemento principal de un sistema de energíafotovoltaica es la célula fotoeléctrica, un dispositivoconstruido de silicio (extraído de la arena común).

Los paneles solares están constituidos por cien-tos de estas celdas que, conectadas en forma ade-cuada, suministran tensiones suficientes para, porejemplo, la recarga de unas baterías. Tienen utilidaden múltiples campos, desde el ámbito doméstico,hasta los satélites artificiales.

Cuando la energía luminosa incide en la célulafotoeléctrica, existe un desprendimiento de electro-

nes de los átomos que comienzan acircular libremente en el material. Simedimos el voltaje existente entrelos dos extremos del material (positi-vo y negativo) observaremos queexiste una diferencia de potencialentre 0,5 y 0,6 volt.

Si le aplicamos una carga eléctri-ca, veremos que es posible obteneruna corriente de 28 miliamper porcada centímetro cuadrado iluminado.Hemos convertido el dispositivo enuna especie de batería eléctrica, quepermanecerá aportando energía inde-finidamente en tanto reciba ilumina-ción.

Pero esta pequeña cantidad deenergía es insuficiente e inútil, si nosomos capaces de obtener mayoresvoltajes y corrientes que permitan



Figura 2


aplicaciones prácticas. Para ello se diseñan en cadaoblea cientos de diodos, los cuales, interconectadosen serie y paralelo son capaces de suministrar ten-siones de varios voltios, así como corrientes delorden de amperios.

Este sistema básico de generación de energíapor medio de la luz solar, puede obtener un rendi-miento mayor si se disponen dispositivos de controladecuados.

Posteriormente, la energía obtenida debe seralmacenada para que pueda ser utilizada por lanoche, en que la ausencia de luz no permite suobtención directa. Los paneles solares pueden aco-plarse en forma modular, ello permite que puedanpasar de un sistema doméstico de generación deenergía, a otro más potente para industrias o insta-laciones de gran consumo (figura 2).

Ventajas y Desventajas de la Energía Solar Fotovoltaica

La energía fotovoltaica es limpia, inagotable,simple y silenciosa. Es la energía que mejor seadapta para integrarla en sitios urbanos. Su ubica-ción cercana a los sitios de consumo permite dismi-nuir pérdidas de energía por transmisión. El desa-rrollo fotovoltaico genera empleos y ya es unaindustria sólida que está teniendo un crecimientoinmenso desde los años '90 en adelante en lugarescomo Estados Unidos, Europa y Japón.

Los inconvenientes de este sistema de genera-ción de energía, no es tanto el origen de esa energía,el Sol, que excede nuestras necesidades, ni tampocola materia prima de donde se extrae el silicio, con-sistente en arena común muy abundante en nuestrasplayas; se trata de la técnica de construcción de lasobleas, excesivamente compleja y cara. Un segundomotivo, es el rendimiento obtenido y el espacio deterreno ocupado por los elementos captadores.

Como contrapunto a sus inconvenientes, es unsistema ideal para instalar en lugares remotos dondeno sea posible tender cableados eléctricos o dispo-ner de personal de mantenimiento, tales como telé-fonos de emergencia en determinadas zonas (auto-

pistas, alta montaña, etc.), faros marinos en costaspoco accesibles, boyas en bajos marinos peligrosospara la navegación que sea preciso señalar, equiposde salvamento a bordo de buques, etc.

Sin embargo, hay varias barreras que impidenun uso masivo de la energía fotovoltaica: por unlado sus precios continúan siendo altos. El mercado,o la demanda, sigue siendo pequeña y por lo tanto laescala de producción continúa siendo baja, estohace que los precios sean altos. Estos precios altosmantienen el mercado restringido, un verdadero cír-culo vicioso. Por otro lado los proveedores de pane-les fotovoltaicos se encuentran con dificultad paraobtener módulos. La razón fundamental para estedesabastecimiento estriba en la limitada oferta desilicio de grado semiconductor, componente funda-mental de los paneles fotovoltaicos. Aunque el sili-cio es un material muy abundante en la Tierra, sudepuración y cristalización está en manos de 6empresas a nivel mundial.

Actualmente la demanda de este componente secifra en 70.000 toneladas anuales, con una previsióninternacional de 150.000 toneladas en 2015. Laindustria fotovoltaica mundial ha crecido a un ritmodel 33% desde 1999, aunque en el último año elincremento ha llegado al 60% y ha hecho saltar lasalarmas sobre el abastecimiento futuro de celdasfotovoltaicas.

Orígenes de las Celdas Solares

Aunque las celdas solares eficientes han estadodisponibles recién desde mediados de los años 50,la investigación científica del efecto fotovoltaicocomenzó en 1839, cuando el científico francés,Henri Becquerel descubrió que una corriente eléc-trica podría ser producida haciendo brillar una luzsobre ciertas soluciones químicas.

El efecto fue observado primero en un materialsólido (el metal selenio) en 1877. Este material fueutilizado durante muchos años para los fotómetros,que requerían de cantidades muy pequeñas de ener-gía. Una comprensión más profunda de los princi-pios científicos, fue provista por Albert Einstein en




1905 y Schottky en 1930, la cual fue necesaria antesde que celdas solares eficientes pudieran ser con-feccionadas. Una célula solar de silicio que conver-tía el 6% de la luz solar que incidía sobre ella enelectricidad fue desarrollada por Chapin, Pearson yFuller en 1954, y esta es la clase de célula que fueutilizada en usos especializados tales como satélitesorbitales a partir de 1958.

Las celdas solares de silicio disponibles comer-cialmente en la actualidad tienen una eficiencia deconversión en electricidad de la luz solar que caesobre ellas de cerca del 18%, a una fracción del pre-cio de hace treinta años. En la actualidad existenuna gran variedad de métodos para la producciónpráctica de celdas solares de silicio (amorfas, mono-cristalinas o policristalinas), del mismo modo quepara las celdas solares hechas de otros materiales(seleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio, arse-niuro de galio, etc).

La palabra fotovoltaico (a) está formada por lacombinación de dos palabras, una de origen griego:foto, que significa luz, y la otra voltaico que signi-fica eléctrico. El nombre resume la acción de estascélulas: transformar, directamente, la energía lumi-nosa en energía eléctrica.

La transformación de la energía luminosa eneléctrica toma lugar en la naturaleza durante el pro-ceso de fotosíntesis, pero desde el punto de vistapráctico (menores pérdidas) sólo tiene valor comer-cial la que toma lugar dentro de un diodo semicon-ductor.

Como el proceso de elaboración de estos diodosprecede al de la manufactura de las células fotovol-taicas (FVs), las unidades tienen un alto grado derepetibilidad.

Las células FVs son manufacturadas usandodiferentes materiales y procesos para crear los dio-dos, ya que los fabricantes continúan explorando lamanera de abaratar el costo o incrementar la efi-ciencia de conversión de las mismas.

Cuando la luz solar incidente tiene la energía yel espectro luminoso necesario para alterar el estadode equilibrio de la juntura N-P en estos diodos, segenera un exceso de cargas libres, las que puedensostener una corriente, si se cierra el circuito exter-no.

Para aquellos lectores que quieren conocer elfenómeno con mayor detalle, paso a darles un resu-men sobre el tema.

Dado que el fenómeno FV toma lugar dentro deun semiconductor, se hace necesario entender quéhace que un material sea un buen conductor, unbuen aislante (no-conductor) y, por último, un semi-conductor.

La corriente eléctrica, por definición, es la can-tidad de cargas que circulan por unidad de tiempo.Cuando se aplica un voltaje entre los extremos deun material, se crea un campo eléctrico dentro delmismo. Los electrones ubicados en la órbita exteriordel átomo de este material, la más lejana del núcleo,estarán sometidos a una fuerza cuyo valor está dadopor la expresión:

F = q x E (1)

Donde:

q es el valor de la carga (en Coulomb) y

E es el valor del campo eléctrico en V/m.

¿Qué determina la conducción (o no-conduc-ción) en un material?

La respuesta es: la estructura atómica de la subs-tancia. En materiales conductores, como el cobre,el aluminio o el grafito, los electrones de la bandaexterna tienen mucha movilidad, ya que están sal-tando de átomo a átomo, aún a la temperaturaambiente.

Bajo la acción de un campo eléctrico (voltajeentre los extremos) la fuerza dada por la expresión(1) los pone en movimiento. El valor de la conduc-tividad (inversa de la resistividad) es elevado enestos materiales.

En materiales aislantes, como el vidrio, el dia-mante o la porcelana, aún con elevados valores delcampo eléctrico (altas tensiones) la fuerza que seejerce sobre los electrones de la órbita externa no essuficiente para desplazarlos y establecer unacorriente, ya que su movilidad es prácticamentenula.




El autor utilizó en los ejemplos, a pro-pósito, dos formas cristalinas distintas parael carbón: el grafito (conductor) y el dia-mante (aislante) para mostrar cómo laestructura interna de la substancia determi-na la movilidad de las cargas en la misma.Cuando el átomo de una substancia pierdeun electrón, se transforma en una cargapositiva. La pérdida de un electrón crea, enefecto, dos cargas dentro del material: unanegativa (electrón libre) y otra positiva(resto del átomo).

En substancias como el germanio (Ge)y el silicio (Si) los electrones de la capaexterior de un átomo son compartidos porátomos adyacentes (figura 3) formando unaestructura fija rígida (cristalina) en dondelos electrones carecen de movilidad. Poreso el germanio y el silicio puro son subs-tancias aislantes.

Si en un cristal de este tipo logramos incorporarátomos de otras substancias, aún en proporcionesmuy pequeñas, la conductividad de estos materialesvaría drásticamente, convirtiéndolos en semicon-ductores.

Estos materiales tienen un valor de conductivi-dad que los sitúan entre los aisladores y los conduc-tores de corriente.

Si la substancia que se introduce tiene la capaci-dad de ceder electrones, éstos se convierten en lacarga mayoritaria en esa zona (semiconductor tipoN).

Si, por el contrario, los átomos de la substanciaque se introduce son ávidos de electrones, la mayo-ría de los átomos en esta zona tendrán cargas posi-tivas libres (tipo P). A estas cargas se las denominanhoyos (holes en inglés) ya que el electrón tomadodeja un vacío (hoyo) en el átomo que lo cedió. A lassubstancias que se usan para alterar la conductivi-dad del cristal puro se las conocen como dopantes(dopants, en inglés).

El proceso de introducción de átomos que cedeno toman electrones, difusión, se ha convertido en unproceso robotizado, en donde los átomos de lassubstancias dopantes se introducen usando cañoneselectrónicos que bombardean los cristales (proceso

de implantación). La industria usa el cristal de sili-cio (Si) porque su comportamiento a altas tempera-turas es superior al del germanio (Ge). Quizá en elfuturo haya células FVs hechas con diamantes, yaque se han descubierto varios procesos para fabri-carlos en cantidad y a bajo precio, pero no se hainvestigado como llevar adelante el proceso de difu-sión. Este material, carbón, es superior al siliciocuando la temperatura ambiente es elevada.

Juntura P-N

El proceso de difusión es repetitivo, de maneraque pueden crearse zonas cuasi-conductoras, aisla-doras o semiconductoras con diferentes cargasmayoritarias. Esto permite crear dos zonas cuasi-conductoras en los extremos del diodo, las que sir-ven para anclar los conectores externos, así comodos zonas adyacentes, una del tipo N; la otra deltipo P. La zona entre estas dos regiones se denomi-na juntura (junction, en inglés).

Nota: Observe el lector que la letra N se corre-laciona con negativo y la letra P con positivo, indi-cando cual es la carga mayoritaria en cada zona.



Figura 3


Estado de Equilibrio

La teoría muestra que las cargas mayoritarias(electrones de un lado y hoyos del otro) no perma-necen inmóviles, desplazándose hacia la zona adya-cente, donde la concentración es baja. Este despla-zamiento de cargas (corrientes de desplazamiento)acumula cargas positivas en la zona N y negativasen la zona P, creando una diferencia de potencial enla juntura, la que establece un campo eléctrico (E).El proceso migratorio continúa hasta que se ve inte-rrumpido cuando el valor del potencial alcanza loque se denomina el nivel de Fermi para esa subs-tancia.

El campo eléctrico E (V/distancia) en esta zonatendrá un valor elevado, ya que la juntura tiene muy

pequeño espesor. Lafigura 4 muestra el esta-do de equilibrio para unajuntura N-P.

Nota: En la expresión(1) la dirección de lafuerza depende del signode la carga, de maneraque los electrones y loshoyos se desplazan ensentidos opuestos.

Cuando la luz solarque incide sobre la zona

adyacente a la juntura tiene el espectro y nivel deenergía requerido por el material (Si), el bombar-deo de los fotones crea pares de cargas libres (figu-ra 5), los que se mueven libremente. Algunos deestos pares se recombinan (neutralizan) antes demigrar a la zona de juntura, pero un elevado por-centaje de electrones del lado P y de hoyos del ladoN serán impulsados a través de la juntura. La direc-ción del campo eléctrico E mostrada en la figura 5hace que estas cargas no puedan volver, alterándoseel estado de equilibrio. Las cargas libres están listaspara sostener una corriente cuando se conecten ellado N y P a una carga eléctrica externa.

En síntesis, se denomina fotovoltaica a la trans-formación directa de radiación solar en energía

eléctrica por medio deceldas solares. Las cel-das se componen hastaahora en general de sili-cio, un material semi-conductor. Mediante untratamiento adecuadoresultan diferentes capasque generan un campoeléctrico. Al incidir luzsobre la célula solar, lascargas positivas y nega-tivas son separadas porun campo eléctrico, que-dando disponibles parasu utilización en ambos



Figura 4

Figura 5


polos de la celda solar, como enuna batería. La corriente continua(DC) generada por energía solarpuede utilizarse directamentepara hacer funcionar aparatoseléctricos o almacenarse en bate-rías.

Alternativamente, la electrici-dad puede transformarse encorriente alterna por medio de uninversor y alimentarse a la red decorriente eléctrica. Para obtenermayores unidades de potencia seagrupan y conectan varias celdassolares en un módulo solar, a suvez los módulos solares formanlos grandes paneles y finalmenteuna estación de generación de energía eléctricamasiva. La figura 6 muestra la composición de unacelda fotovoltaica.

¿Cómo se hacen las celdas solares?

Ya hemos visto aspectos teóricos sobre el fun-cionamiento de las celdas solares. Repetiremosalgunos conceptos pero orientados a la forma en quese deben construir las celdas solares. Las celdassolares de silicio se elaboran utilizando planchasmono-cristalinas, planchas policristalinas o láminasdelgadas

Las planchas mono-cristalinas (de aproximada-mente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan deun gran lingote monocristalino que se ha desarrolla-do a aproximadamente 1400°C, este es un procesomuy costoso. El silicio debe ser de una pureza muyelevada y tener una estructura cristalina casi perfec-ta.

Las planchas policristalinas son realizadas porun proceso de moldeo en el cual el silicio fundido esvertido en un molde y se lo deja asentar. Entoncesse rebana en planchas. Como las planchas policris-talinas son hechas por moldeo son apreciablementemás baratas de producir, pero no tan eficiente comolas celdas mono-cristalinas. El rendimiento másbajo es debido a las imperfecciones en la estructuracristalina resultando del proceso de moldeo.

En los dos procesos anteriormente menciona-

dos, casi la mitad del silicio se pierde como polvodurante el cortado.

El silicio amorfo, una de las tecnologías delámina delgada, es creado depositando silicio sobreun substrato de vidrio de un gas reactivo tal comosilano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo detecnologías de lámina delgada. Este tipo de célulasolar se puede aplicar como película a substratos delbajo costo tales como cristal o plástico. Otras tec-nologías de lámina delgada incluyen lámina delga-da de silicio multi-cristalino, las celdas de seleniurode cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas deteluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas delarseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tie-nen muchas ventajas incluyendo una deposición yun ensamblado más fácil, la capacidad de ser depo-sitadas en substratos o materiales de construcciónbaratos, la facilidad de la producción en masa, y lagran conveniencia para aplicaciones grandes.

En la producción de celdas solares al silicio se leintroducen átomos de impurezas (dopado) paracrear una región tipo P y una región tipo N de modode producir una unión P-N, tal como hemos vistoanteriormente.

El dopado se puede hacer por difusión a altatemperatura, donde las planchas se colocan en unhorno con el dopante introducido en forma devapor. Hay muchos otros métodos de dopar el sili-cio. En la fabricación de algunos dispositivos delámina delgada la introducción de dopantes puede



Figura 6


ocurrir durante la deposición de las láminas o de lascapas.

Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valen-cia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan alos átomos adyacentes. Substituyendo un átomo delsilicio por un átomo que tenga 3 o 5 electrones de lavalencia producirá un espacio sin un electrón (unagujero) o un electrón extra que pueda moverse máslibremente que los otros, ésta es la base del doping.En el doping tipo P, la creación de agujeros, esalcanzada mediante la incorporación en el silicio deátomos con 3 electrones de valencia, generalmentese utiliza boro. En el dopaje de tipo N, la creaciónde electrones adicionales es alcanzada incorporandoun átomo con 5 electrones de valencia, generalmen-te fósforo.

Una vez que se crea una unión P-N, se hacen loscontactos eléctricos al frente y en la parte posteriorde la célula evaporando o pintando con metal laplancha. La parte posterior de la plancha se puedecubrir totalmente por el metal, pero el frente de lamisma tiene que tener solamente un patrón en formade rejilla o de líneas finas de metal, de otra manerael metal bloquearía al sol del silicio y no habría nin-guna respuesta a los fotones de la luz incidente.

Para entender la operación de una célula foto-voltaica, necesitamos considerar la naturaleza delmaterial y la naturaleza de la luz del sol. Las celdassolares están formadas por dos tipos de material,generalmente silicio tipo p y silicio tipo N. La luzde ciertas longitudes de onda puede ionizar los áto-mos en el silicio y el campo interno producido por

la unión que separa algunasde las cargas positivas ("agu-jeros") de las cargas negativas(electrones) dentro del dispo-sitivo fotovoltaico. Los aguje-ros se mueven hacia la capapositiva o capa de tipo P y loselectrones hacia la negativa ocapa tipo N. Aunque estas car-gas opuestas se atraen mutua-mente, la mayoría de ellassolamente se pueden recombi-nar pasando a través de un cir-cuito externo fuera del mate-rial debido a la barrera de

energía potencial interno. Por lo tanto si se hace uncircuito se puede producir una corriente a partir delas celdas iluminadas, puesto que los electroneslibres tienen que pasar a través del circuito pararecombinarse con los agujeros positivos, vea lafigura 7.

La cantidad de energía que entrega un dispositi-vo fotovoltaico esta determinado por:

El tipo y el área del materia.La intensidad de la luz del sol.La longitud de onda de la luz del sol.

Por ejemplo, las celdas solares de silicio mono-cristalino actualmente no pueden convertir más elde 25% de la energía solar en electricidad, porque laradiación en la región infrarroja del espectro elec-tromagnético no tiene suficiente energía como paraseparar las cargas positivas y negativas en el mate-rial. Las celdas solares de silicio policristalino en laactualidad tienen una eficiencia de menos del 20%y las celdas amorfas de silicio tienen actualmenteuna eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas deenergía internas más altas que las del silicio mono-cristalino.

Una típica célula fotovoltaica de silicio mono-cristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 watt deenergía a 0.5 volt de Corriente Continua y 3 ampe-rios bajo la luz del sol en pleno verano (el 1000W xm2). La energía de salida de la célula es casi direc-tamente proporcional a la intensidad de la luz del



Figura 7


sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luzdel sol se divide por la mitad la energía desalida también será disminuida a la mitad).

Una característica importante de las cel-das fotovoltaicas es que el voltaje de la célu-la no depende de su tamaño, y sigue siendobastante constante con el cambio de la inten-sidad de luz. La corriente en un dispositivo,sin embargo, es casi directamente proporcio-nal a la intensidad de la luz y al tamaño. Paracomparar diversas celdas se las clasifica pordensidad de corriente, o amperios por centí-metro cuadrado del área de la célula.

La potencia entregada por una célulasolar se puede aumentar con bastante efica-cia empleando un mecanismo de seguimien-to para mantener el dispositivo fotovoltaicodirectamente frente al sol, o concentrando laluz del sol usando lentes o espejos. Sinembargo, hay límites a este proceso, debido ala complejidad de los mecanismos, y de lanecesidad de refrescar las celdas. La corrien-te es relativamente estable a altas temperatu-ras, pero el voltaje se reduce, conduciendo auna caída de potencia a causa del aumento dela temperatura de la célula.

Cómo dato complementario, un arreglo devarias celdas solares conectadas eléctricamenteunas con otras y montadas en una estructura deapoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico(figura 8). Los módulos están diseñados para prove-er un cierto nivel de voltaje, como por ejemplo el deun sistema común de 12 volt. La corriente produci-da depende directamente de cuánta luz llega hasta elmódulo.

De más está decir que lo dado hasta aquí es sólouna introducción a la energía solar y que en sucesi-vas ediciones seguiremos analizando el tema.Mientras tanto, recuerde que puede descargar unCurso Completo desde nuestra web, con la clave:TECSOL240.

Bibliografía

http://newton.cnice.mec.eshttp://www.oni.escuelas.edu.ar

www.monografías.com (González, Ianina)http://www.scribd.comhttp://www.textoscientificos.com/energia/celu

lashttp://www.gstriatum.com/energiasolar/http://www.formaselect.com/areas-temati-

cas/energias-renovables/energia-solar.htmhttp://energiasolartermica.blogspot.com/200

6/02/introduccin-las-energias-renovables_03.html

http://www.solarmai.net/espanol/ener-gia%20solar-funcionamiento.htm

http://www.agrodigital.com/acciona/images/sol3.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_t%C3%A9rmica

http://www.solarte.es/files/personal_imgs/Esquema_solar_termica.jpg

http://www.gstriatum.com/energiasolar/http://energiaenchile.com/energiasrenova-

bles_archivos/energias_renovables.jpghttp://www.construmatica.com/construpe-

dia/Energ%C3%ADa_Solar



Figura 8


ENERGÍA EÓLICA


Energía EólicaPROYECTOS CON TURBINAS Y

AEROGENERADORES

Ya desde la publicación del libro Don Quijote de la Mancha, los molinos de viento estaban pre-sentes, quizás los molinos más famosos del mundo.

“La ventura va guiando nuestras cosas mejor de lo que acertáramos á desear; porque ves allí,amigo Sancho Panza, donde se descubren treinta ó pocos mas desaforados gigantes con

quien pienso hacer batalla y quitarles á todos las vidas (...). -Mire vuestra merced, respondió Sancho, que aquellos que allí se parecen no son gigantes,

sino molinos de viento, y lo que en ellos parecen brazos son las aspas que, volteadas delviento, hacen andar la piedra del molino.”

Las necesidades energéticas de las viviendas, de las empresas, de los comercios y de todoslos servicios de una ciudad (alumbrado público, por ejemplo) a menudo son muy grandes. Lasinstalaciones ya gigantescas deben evolucionar para lograr tres cosas: responder a la deman-da cada vez mayor, proteger los recursos naturales y disminuir los vertidos a la atmósfera,especialmente de gases con efecto invernadero.El viento se puede aprovechar para aplicaciones mecánicas y electrificación de sitios aislados.Es por ello que la energía eólica es el recurso que está creciendo más rápidamente, a tal puntoque se piensa que en 20 años más del 17% de la energía consumida en el mundo va a provenirdel aprovechamiento del viento, desplazando al petróleo y otros productos no renovables.Hasta hace un tiempo, la velocidad mínima del viento por encima de los 15 km/h era una pro-piedad indispensables, hoy ese mínimo ha decrecido a tal punto que brisas no muy intensas seaprovechan para la obtención de energía.

El Sol calienta de forma desigual las diferen-tes zonas del planeta, provocando el movi-miento del aire que rodea la Tierra y dandolugar al viento.

¡El viento es energía en movimiento!

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


Introducción

Energía eólica es la energía obtenida del viento,es decir, la energía cinética generada por efecto de lascorrientes de aire, y que es transformada en otras for-mas útiles para las actividades humanas.

El término eólico viene del latín Aeolicus, perte-neciente o relativo a Eolo, dios de los vientos en lamitología griega. La energía eólica ha sido aprove-chada desde la antigüedad para mover los barcosimpulsados por velas o hacer funcionar la maquinariade molinos al mover sus aspas. En la actualidad, laenergía eólica es utilizada principalmente para pro-ducir energía eléctrica mediante aerogeneradores. Afinales de 2009, la capacidad mundial de los genera-dores eólicos fue de 123GW (gigawatt) lo que repre-senta alrededor del 2% del consumo de electricidadmundial, cifra equivalente a la demanda total de elec-tricidad en Italia. La energía eólica es un recursoabundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir lasemisiones de gases de efecto invernadero al reempla-zar termoeléctricas a base de combustibles fósiles, loque la convierte en un tipo de energía verde

Cómo se Genera la Energía

Como se sabe, hay muchas formas de generarenergía y, de hecho, “todo es energía o puede con-vertirse en energía”. Hay energía renovables y otrasque no lo son.

La energía del viento está relacionada con elmovimiento de las masas de aire que se desplazan deáreas de alta presión atmosférica hacia áreas adya-centes de baja presión, con velocidades proporciona-les al gradiente de presión. Estos vientos se generana causa del calentamiento no uniforme de la superfi-cie terrestre por parte de la radiación solar, entre el 1y 2% de la energía proveniente del sol se convierte enviento. Durante el día, las masas de aire sobre losocéanos, los mares y los lagos se mantienen frías conrelación a las áreas vecinas situadas sobre las masascontinentales.

La tierra absorbe una menor cantidad de luz solar,por lo tanto el aire que se encuentra sobre la tierra seexpande, y se hace por lo tanto más liviana y se eleva.El aire más frío y más pesado que proviene de losmares, océanos y grandes lagos se pone en movi-miento para ocupar el lugar dejado por el aire calien-te. Cuando se realizan estudios de factibilidad, parapoder aprovechar la energía eólica es importanteconocer las variaciones diurnas y nocturnas y esta-cionales de los vientos, la variación de la velocidaddel viento con la altura sobre el suelo, la entidad delas ráfagas en espacios de tiempo breves, y valoresmáximos ocurridos en series históricas de datos conuna duración mínima de 20 años. Es también impor-tante conocer la velocidad máxima del viento. Parapoder utilizar la energía del viento, es necesario queeste alcance una velocidad mínima que depende delaerogenerador que se vaya a utilizar pero que sueleempezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4km/h), velocidad llamada "cut-in speed", y que nosupere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada "cut-out speed".

Tecnologías de Energías Renovables

Hemos visto en la perimera parte de este librocuálkles son los distintos tipos de energía; en general,las tecnologías de energía renovable a pequeña esca-la presentan una alternativa económica y ambientalfactible para la provisión de energía a comunidadesrurales remotas y para la expansión de la capacidadeléctrica instalada, ya sea por medio de sistemas ais-lados o por proyectos conectados a la red eléctrica.La región cuenta con suficientes recursos para desa-rrollar sistemas hidráulicos, solares, eólicos y de bio-masa, principalmente.

Adicionalmente, estas tecnologías pueden dismi-nuir la contaminación del medio ambiente, causadapor las emisiones de gases de los sistemas conven-cionales, que utilizan combustibles fósiles, como elcarbón y productos derivados del petróleo. Estosgases contribuyen al efecto invernadero y al calenta-miento global de nuestro planeta.




Sin embargo, existen barreras que dificultan unmayor desarrollo de este tipo de energía: la falta deconocimiento de las tecnologías y las capacidadesinstitucionales y técnica aún incipientes.

Clasificación de las Fuentes de Energía

Retimemos el tema visto en la primera parte deeste texto, pero ya “deteniéndonos” en el uso de lasmismas. Las fuentes de energía se pueden dividir endos grandes subgrupos:

Permanentes o renovablesTemporales o no renovables

Energías No Renovables

Energía Fosil: Los combustibles fósiles son recur-sos no renovables: no podemos reponer lo que gasta-

mos. En algún momento, se acabarán, y tal vez seanecesario disponer de millones de años de evoluciónsimilar para contar nuevamente con ellos. Las energí-as no renovables son aquellas cuyas reservas son limi-tadas y se agotan con el uso. Las principales son laenergía nuclear y los combustibles fósiles (el petróleo,el gas natural y el carbón). La energía fósil es energíasolar concentrada y petrificada en forma de compues-tos de carbono, que proviene de plantas y animales quevivieron hace millones de años. Este carbono, al que-marse, pasa a la atmósfera en forma de dióxido de car-bono, el principal componente del efecto invernadero.

El carbón fue el primer tipo de combustible fósilen ser utilizado como energía comercial. Siguieron elpetróleo y el gas natural.

Toda nuestra economía está basada en el consu-mo masivo de energía fósil: la energía procedente decarbones, petróleo y gas natural aporta un 88% delconsumo total de energía primaria (vea la infografíade la figura 1).

ENERGÍA EÓLICA


Figura 1


Los combustibles fósiles sepueden utilizar en forma sólida(carbón), líquida (petróleo) ogaseosa (gas natural). Son acumu-laciones de seres vivos que vivie-ron hace millones de años y quese han fosilizado formando car-bón o hidrocarburos. En el casodel carbón se trata de bosques dezonas pantanosas, y en el caso del petróleo y el gasnatural de grandes masas de plancton marino acumu-ladas en el fondo del mar. En ambos casos la materiaorgánica se descompuso parcialmente por falta deoxígeno y acción de la temperatura, la presión ydeterminadas bacterias de forma que quedaron alma-cenadas moléculas con enlaces de alta energía.

La energía más utilizada en el mundo es la ener-gía fósil. Si se considera todo lo que está en juego, esde suma importancia medir con exactitud las reservasde combustibles fósiles del planeta. Se distinguen las“reservas identificadas” aunque no estén explotadas,y las “reservas probables”, que se podrían descubrircon las tecnologías futuras. Según los cálculos, elplaneta puede suministrar energía durante 40 añosmás (si sólo se utiliza el petróleo) y más de 200 (si sesigue utilizando el carbón).

Energía Nuclear: El núcleo atómico de elemen-tos pesados como el uranio, puede ser desintegrado(fisión nuclear) y liberar energía radiante y cinética.Las centrales termonucleares aprovechan esta ener-gía para producir electricidad mediante turbinas devapor de agua. Se obtiene al romper los átomos deminerales radiactivos en reacciones en cadena que seproducen en el interior de un reactor nuclear. Unaconsecuencia de la actividad de producción de estetipo de energía, son los residuos nucleares, que pue-den tardar miles de años en desaparecer y tardanmucho tiempo en perder la radiactividad (figura 2).

Energías Renovables o Verdes

Energía verde es un término que describe la ener-gía generada a partir de fuentes de energía primaria

respetuosas con el medio ambiente. Las energías ver-des son energías renovables que no contaminan, esdecir, cuyo modo de obtención o uso no emite sub-productos que puedan incidir negativamente en elmedio ambiente.

Actualmente, están cobrando mayor importanciaa causa del agravamiento del efecto invernadero y elconsecuente calentamiento global, acompañado poruna mayor toma de conciencia a nivel internacionalcon respecto a dicho problema. Asimismo, economí-as nacionales que no poseen o agotaron sus fuentesde energía tradicionales (como el petróleo o el gas) ynecesitan adquirir esos recursos de otras economías,buscan evitar dicha dependencia energética, así comoel negativo en su balanza comercial que esa adquisi-ción representa.

Las “Energías Renovables” nos pueden sonar ensí a algún tipo de motor o alguna forma de generaciónartificial de energía. Pero nos equivocamos, se tratade algo diferente. Es más, no es necesario recurrir auna explicación científica o alguna investigación téc-nica para darnos luz en el tema, basta con analizar laspropias palabras en cuestión.

Energías renovables son aquellas que se renuevanconstantemente, porque se producen en forma conti-nua y son inagotables.

Las energías renovables son aquellas que se pro-ducen de forma continua y son inagotables porqueson capaces de regenerarse por medios naturales.Para fuentes como la biomasa, es necesario que serespeten los ciclos naturales si se quiere tener unabastecimiento continuo.

Tienen la peculiaridad de ser energías limpiasdebido a que suponen un nulo o escaso impactoambiental, su utilización no tiene riesgos potencialesañadidos y son una alternativa a las fuentes de ener-



Figura 2


gía conven-c i o n a l e s ,p u d i e n d osusti tuir lasp a u l a t i n a -mente. Lase n e r g í a srenovableshan consti-tuido una

parte importante de la energía utilizada por los huma-nos desde tiempos remotos, especialmente la solar, laeólica y la hidráulica. La navegación a vela, los moli-nos de viento o de agua y las disposiciones construc-tivas de los edificios para aprovechar la del sol, son

buenos ejemplos de ello. El sol es un elemento súperimportante para las energías renovables, porque es enél donde se inician los ciclos de éstas. El calor del solprovoca en la tierra las diferencias de presión que danorigen a los vientos, fuente de la energía eólica. El solordena el ciclo del agua, causa la evaporación quepredispone la formación de nubes y, por tanto, las llu-vias.

Las fuentes renovables de energía se basan en losflujos y ciclos naturales del planeta. Son aquellas quese regeneran y son tan abundantes que perdurarán porcientos o miles de años, las usemos o no; además,usadas con responsabilidad no destruyen el medioambiente. La electricidad, calefacción o refrigeración

generados por las fuentes de energíasrenovables, consisten en el aprove-chamiento de los recursos naturalescomo el sol, el viento, los residuosagrícolas u orgánicos. Incrementar laparticipación de las energías renova-bles, asegura una generación de elec-tricidad sostenible a largo plazo,reduciendo la emisión de CO2.Aplicadas de manera socialmenteresponsable, pueden ofrecer oportu-nidades de empleo en zonas rurales yurbanas y promover el desarrollo detecnologías locales.

Energía Eólica: Es la fuente deenergía que está creciendo más rápi-damente y, si los gobiernos le asegu-ran el apoyo necesario, podría cubriren el 2020 el 12% de toda la electri-cidad mundial. La energía eólicarequiere condiciones de intensidad yregularidad en el régimen de vientospara poder aprovecharlos. Se consi-dera que vientos con velocidadespromedio entre 5 y 12.5 metros porsegundo son los aprovechables (figu-ra 3).

El viento contiene energía cinéti-ca (de las masas de aire en movi-miento) que puede convertirse en

ENERGÍA EÓLICA


Figura 3

Figura 5

Figura 4


energía mecánica o eléctrica pormedio de aeroturbinas, las cualesestán integradas por un arreglo deaspas, un generador y una torre, prin-cipalmente.

Energía Solar: La energía solarque recibe nuestro planeta es el resul-tado de un proceso de fusión nuclearque tiene lugar en el interior del sol.

Esa radiación solar se puede trans-formar directamente en electricidad(conversión de energía solar en ener-gía eléctrica) o en calor (solar a tér-mica). El calor, a su vez, puede ser utilizado para pro-ducir vapor y generar electricidad, figura 4.

Energía Solar Térmica: Un equipo sencillo per-mite demostrar que el agua puede ser calentada conenergía solar, en sustitución del gas.

Los sistemas solares térmicos pueden clasificarseen planos o de concentración o enfoque. Los sistemassolares planos son dispositivos que se calientan al serexpuestos a la radiación solar y transmiten el calor aun fluido (agua, por ejemplo). Con el colector solarplano se pueden calentar fluidos a temperaturas dehasta 200 ºC pero, en general, se aprovecha paracalentar hasta los 75 ºC.

Los sistemas solares de concentración, figura 5,son aquellos que funcionan enfocando la radiaciónsolar en un área específica, en un punto o a lo largode una línea. En algunas centrales solares termoeléc-tricas concentran la radiación solar utilizando paraello espejos, y mediante distintas tecnologías propor-cionan calor a media o alta temperatura (en casosespeciales, hasta miles de grados). Ese calor se utili-za para generar electricidad, del mismo modo que enuna central termoeléctrica. El calor solar recogidodurante el día se puede almacenar, de forma quedurante la noche o cuando está nublado se puedeigualmente estar generando electricidad. Este con-junto de dispositivos requiere de procedimientos omecanismos de seguimiento, ya que la línea de inci-dencia del sol varía durante el día y durante el año.

Energía Solar Eléctrica: La energía solar es unode los recursos más tenidos en cuenta para el abaste-cimiento futuro de la humanidad. La conversión deenergía solar en energía eléctrica, (figura 6), es cadavez más económica. La energía del sol se transformaen electricidad mediante células fotovoltaicas, apro-vechando las propiedades de los materiales semicon-ductores. El material base para la fabricación de lamayoría de las células fotovoltaicas es el silicio. Laeficiencia de conversión de estos sistemas es de alre-dedor de 15%. Aun así, un metro cuadrado puedeproveer potencia suficiente para operar un televisormediano. Para poder proveer de energía eléctrica enlas noches, las celdas fotovoltaicas requieren de bate-rías donde se acumula la energía eléctrica generadadurante el día.

En la actualidad se están desarrollando sistemasfotovoltaicos conectados directamente a la red eléc-trica, evitando así el uso de baterías, por lo que laenergía que generan se usa de inmediato.



Figura 6

Figura 7


Energía Geotérmica: La energía geotérmica seobtiene aprovechando el calor que emana de la pro-fundidad de la tierra. La energía geotérmica se pro-duce cuando el vapor de los yacimientos es conduci-do por tuberías. Al centrifugarse se obtiene una mez-cla de agua y vapor seco, el cual es utilizado paraactivar turbinas que generan electricidad.

En términos estrictos no es una energía renova-ble, pero se la considera como tal debido a que exis-te en tan grandes cantidades que el ser humano noverá su fin y con un mínimo de cuidados es una ener-gía limpia (figura 7). Este calor también se puedeaprovechar para usos térmicos.

Al hablar de la energía geotérmica de alta y bajatemperatura en realidad estamos hablando de dostipos de aprovechamiento energético radicalmentedistintos, podríamos decir que uno es a gran escala, yel otro a pequeña.

La energía geotérmica de alta temperatura tratade aprovechar el calor producido por las profundida-des de la tierra, que en ocasiones no son tan profun-

das. Es decir, un volcán o un río de aguas termalesproporcionarían una gran cantidad de calor aprove-chable sin necesidad de irse a las profundidades. Y deahí hacia abajo, depende de las zonas del mundo,puede haber grandes cambios de temperatura que sepueden utilizar.

Si pensamos en este tipo de energía geotérmicanos iremos fácilmente a pensar en regiones comoChile, o determinadas zonas de EEUU, o las aguastermales de Argentina y que afloran a superficie oque sin aflorar se puede acceder a ellas con ciertafacilidad. Sin embargo este tipo de energía geotérmi-ca de alta temperatura también se puede aprovecharen otras zonas menos pensadas.

¿Volcanes, aguas termales, ríos de lava subterrá-nea? En absoluto, pero a 4.000 metros de profundi-dad existen unas temperatura de 150ºC en la roca gra-nítica bajo la región que no está nada mal.

Biomasa: Se considera por biomasa a todo elconjunto de elementos vivos que componen un espa-cio geográfico y que actúan en combinación demuchas maneras diversas afectándolo tanto positivacomo negativamente. La biomasa es la sección delplaneta que está habitada por seres vivos de manerapermanente, a diferencia de lo que sucede con la sec-ción subterránea y con la sección atmosférica, ningu-na de las cuales presenta condiciones aptas para lavida permanente y estable de los seres vivos.

La biomasa se refiere a la madera, a las cosechas,a los residuos de la cosecha o a la basura del arbola-do urbano que se quema para hacer girar las turbinasy obtener electricidad. Biogás se le llama al metanoque se puede extraer de estos residuos en un genera-

dor de gas o un digestor.

El biogás se puede también extraer delabono animal y puede ser quemado para produ-cir electricidad. Los combustibles de la bioma-sa y del biogás se pueden almacenar para pro-ducir energía.

La biomasa es potencialmente carbón neu-tro porque el dióxido de carbono que se emitecuando es quemado es igual a la cantidad quefue absorbida de la atmósfera mientras que laplanta creció. Hay bastante biomasa para pro-

ENERGÍA EÓLICA


Figura 8

Figura 9


porcionar un porcentaje significativo de laelectricidad generada. Usar este combusti-ble podría también reducir el consumo delcombustible fósil y la contaminación atmos-férica.

Desafortunadamente, la mayoría de losresiduos agrícolas se quema actualmente alaire libre.

De ninguna manera se incluyen comobiomasa los desechos sólidos, peligrosos, hospitala-rios u otro tipo de basura que produzca contamina-ción atmosférica, como la quema llantas. De igualforma, por la incertidumbre que rodea el tema, sedescartan los residuos de cosechas modificadas gené-ticamente.

La biomasa puede estar, entonces, compuesta porun sinfín de elementos tales como plantas, animales,microorganismos y demás, todos ellos habitantes deun espacio definido al cual modifican de maneraespontánea y continua (figura 8). Las modificacionesson las que le da las características al lugar y lo hacediferente a otros espacios debido a la acción combi-nada de los elementos vivos o bióticos. El conjuntode transformaciones que se generan a causa de laacción de la biomasa se conoce como ecosistema, elespacio en el cual se combinan tanto los elementosvivos como los no vivos y se relacionan entre sí demuy diversas maneras (por ejemplo, un ecosistemaacuático en el cual los animales y las plantas dejan suhuella en el agua). De más está decir que, dependien-do del espacio, la cantidad de elementos vivos pre-sentes podrá variar y conformar así diferentes tiposde ecosistemas, algunos más naturales y otros másartificiales.

La biomasa también puede ser entendida en tér-minos ecológicos y sustentables ya que se define almismo tiempo como una materia viva que se puedetransformar en un importante recurso energético nocontaminante y mucho menos nocivo para el planetaque otras energías tales como el petróleo. En estesentido, los defensores de la biomasa como recursoenergético plantean que todos los elementos vivospueden ser utilizados como energía y que, entonces,una importantísima variedad de elementos podríancontribuir a la eliminación de otras energías muchomás contaminantes y nocivas, figura 9.

Hidrógeno:En las células dehidrógeno serompe una molé-cula de agua(H2O) para obte-ner hidrógenocon el cual seproduce electri-cidad. El únicos u b p r o d u c t oresultante es oxígeno y vapor de agua. Estas célulasse están utilizando en hogares y negocios de algunospaíses desarrollados; incluso fabricantes de automó-viles ya tienen vehículos que funcionan con este sis-tema.

Por supuesto, en este mecanismo de energía reno-vable no hay cabida para proyectos como el plan deenergía del presidente George W. Bush, que proponeaumentar el uso del carbón y la energía nuclear paragenerar combustible de hidrógeno.

Terra Motor publicó un interesante reportajesobre el futuro de los combustibles de automóviles.Analiza a fondo los pros y los contras de esta tecno-logía y el por qué aún no contamos con ellas cuandonos encontramos en una era de grandes avances,(figura 10).

El principal problema del hidrógeno es que senecesita otra energía para obtener el hidrógeno puro.Una vez logrado, viene el problema de su almacena-je: estamos ante un gas muy inestable y volátil (de noaislarse bien, se convierte en una bomba incendiaria).Debe conservarse a una temperatura extremadamen-te baja (a unos 253 grados bajo cero) o a una presiónmuy alta.

Esto se ha conseguido para grandes máquinas



Figura 10

Figura 11


como los cohetes o los submarinos. Sin embargo, elgran problema es conseguir un sistema económico y,sobre todo, seguro.

Existen diferentes métodos para conseguir el pre-ciado gas, aunque los principales son:

A partir de hidrocarburos: la gasolina está com-puesta de hidrógeno y carbono. Mediante un catali-zador se arranca el hidrógeno de la gasolina y seenvía, en forma gaseosa, a la pila de combustible.Los detractores de esta tecnología aseguran que ter-mina siendo contaminante; sin embargo, la cantidadde CO2 que se emite a la atmósfera es mínima.Además, también se puede conseguir de combusti-bles “verdes” (los biocarburantes).

A partir del gas natural y vapor de agua. Hoy porhoy, la opción más barata para producir el hidrógeno

es el gas natural, mediante ladenominada tecnología delreformado con vapor. Es tam-bién la opción menos contami-nante a partir de combustiblesfósiles. A partir del aguamediante electrólisis: unacorriente eléctrica descomponeel agua en hidrógeno y oxíge-no, (figura 11).

Energía Hidráulica: Sedenomina energía hidráulica oenergía hídrica a aquella que se

obtiene del aprovechamiento de las energías cinéticay potencial de la corriente de ríos, saltos de agua omareas.

Es el aprovechamiento de la energía potencial deuna cantidad de agua situada en el cauce de un ríopara convertirla primero en energía mecánica (movi-miento de una turbina) y posteriormente en electrici-dad, (figura 12). Es un tipo de energía verde cuandosu impacto ambiental es mínimo y se la emplea desdehace siglos; por medio de pequeñas explotaciones enlas que la corriente de un río mueve un rotor de palasy genera un movimiento aplicado, por ejemplo, enmolinos rurales. Sin embargo, la utilización más sig-nificativa la constituyen las centrales hidroeléctricasde represas, aunque estas últimas no son considera-das formas de energía verde por el alto impactoambiental que producen.

Cuando el sol calienta la tierra, además de gene-rar corrientes de aire, hace que el agua de los mares,principalmente, se evapore y ascienda por el aire y semueva hacia las regiones montañosas, para luegocaer en forma de lluvia.

Este agua se puede colectar y retener mediantepresas. Parte del agua almacenada se deja salir paraque se mueva los álabes de una turbina engranadacon un generador de energía eléctrica (figura 13)Existe la denominada energía mareomotriz se debe alas fuerzas gravitatorias entre la luna, la tierra y elsol, que originan las mareas, es decir, la diferencia dealtura media de los mares según la posición relativaentre estos tres astros.

ENERGÍA EÓLICA


Figura 12

Figura 13


La energía undimotriz es laenergía producida por el movi-miento de las olas y la energíadebida al gradiente térmicooceánico, que marca una dife-rencia de temperaturas entre lasuperficie y las aguas profun-das del océano. Es menosconocida y extendida que lamareomotriz, pero cada vez seaplica más.

Algunos sistemas para aprovechar esta energíapueden ser:

· Un aparato anclado al fondo y con una boyaunida a él con un cable. El movimiento de la boya seutiliza para mover un generador. Otra variante seríatener la maquinaria en tierra y las boyas metidas enun pozo comunicado con el mar.

· Un aparato flotante de partes articuladas queobtiene energía del movimiento relativo entre suspartes.

· Un pozo con la parte superior hermética y lainferior comunicada con el mar. En la parte superiorhay una pequeña abertura por la que sale el aireexpulsado por las olas. Este aire mueve una turbinaque es la que genera la electricidad.

Energía Azul: La energía azul es la energía obte-nida por la diferencia en la concentración de la salentre el agua de mar y el agua de río con el uso de laósmosis, con membranas de iones específicos. Elresiduo en este proceso es agua salobre.

La mezcla de agua dulce procedente de los ríoscon el agua salada del océano libera altas cantidadesde energía.

La energía liberada al mezclar aguas con diferen-te salinidad no es fácilmente visible como un torren-te violento de agua o un géiser de vapor caliente. Sinembargo, la energía está ahí y cualquiera que hayaintentado separar la sal del agua del mar sabrá que senecesita gran cantidad de energía. En los PaísesBajos, por ejemplo, más de 3300 m3 de agua dulcepor segundo desembocan en el mar como promedio.El potencial energético es por lo tanto de 3300MW

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

Un módulo con una capacidad de 250 kilowatttiene el tamaño de un container. En 2005 una plantade 50 kilowatt está situada en un sitio de prueba cos-tero en Harlingen, los Países Bajos.

Aspectos Prácticos de la Energía Eólica

Si bien existe mucha información sobre el mejoraprovechamiento de la energía eólica, basaré elsiguiente texto en información suministrada enWIKIPEDIA; donde podemos encontrar diferentesreferencias (y documentos de mi autoría), todas ellasde gran utilidad. El viento ha tenido tal importanciaen la vida cotidiana del hombre que, en la antigüe-dad, llegó a elevarlo a la categoría de Dios. En lamitología griega, el Dios padre de los vientos eraEolo, quien, según cuenta la leyenda, tenía encerra-dos los vientos en un zurrón y los sacaba cuando leparecía oportuno. La energía del viento es utilizadamediante el uso de máquinas eólicas (o aeromotores)capaces de transformar la energía eólica en energíamecánica de rotación utilizable, ya sea para accionardirectamente las máquinas operatrices, como para laproducción de energía eléctrica. En este último caso,el sistema de conversión, (que comprende un genera-dor eléctrico con sus sistemas de control y de cone-xión a la red) es conocido como aerogenerador.

En la actualidad se utiliza, sobre todo, para moveraerogeneradores. En estos, la energía eólica mueveuna hélice y mediante un sistema mecánico se hace



Figura 14


girar el rotor de un generador, normalmente un alter-nador, que produce energía eléctrica. Para que su ins-talación resulte rentable, suelen agruparse en concen-traciones denominadas parques eólicos.

Un molino es una máquina que transforma elviento en energía aprovechable, que proviene de laacción de la fuerza del viento sobre unas aspas obli-cuas unidas a un eje común. El eje giratorio puedeconectarse a varios tipos de maquinaria para molergrano, bombear agua o generar electricidad. Cuandoel eje se conecta a una carga, como una bomba, reci-be el nombre de molino de viento. Si se usa para pro-ducir electricidad se le denomina generador de turbi-na de viento. Los molinos tienen un origen remoto.

El viento como fuerza motriz existe desde la anti-güedad y en todos los tiempos ha sido utilizado comotal, como podemos observar. Tiene su origen en elsol. Así, ha movido a barcos impulsados por velas oha hecho funcionar la maquinaria de los molinos almover sus aspas. Pero, fue a partir de los ochenta delsiglo pasado, cuando este tipo de energía limpiasufrió un verdadero impulso.

Molinos y Turbinas

La referencia más antigua que se tiene es un moli-no de viento que fue usado para hacer funcionar unórgano en el siglo I era común. Los primeros molinosde uso práctico fueron construidos en Sistán,Afganistán, en el siglo VII. Estos fueron molinos deeje vertical con hojas rectangulares. 6 aparatoshechos de 6 a 8 velas de molino cubiertos con telasfueron usados para moler maíz o extraer agua. Eldesarrollo de molinos de bombeo, reconocibles porsus múltiples velas metálicas, fue el factor principalque permitió la agricultura y la ganadería en vastasáreas de Norteamérica, de otra manera imposible sinacceso fácil al agua. Estos molinos contribuyeron a laexpansión del ferrocarril alrededor del mundo,supliendo las necesidades de agua de las locomotorasa vapor. Las turbinas modernas fueron desarrolladasa comienzos de 1980, si bien, los diseños continúandesarrollándose. La industria de la energía eólica en

t i e m p o sm o d e r n o sc o m e n z ómas preci-samente en1979 con laproducciónen serie deturbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas,Nordtank, y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeñaspara los estándares actuales, con capacidades de 20 a30kW cada una. Desde entonces, la talla de las turbi-nas ha crecido enormemente, y la producción se haexpandido a muchos países.

Cómo Funciona la Energía Eólica

Vamos a explicar en pocas palabras cómo pode-mos calcular la potencia generada por una turbina. Lafigura 14 muestra un esquema de cómo obtener ener-gía eléctrica a partir de la energía del viento. Un aero-generador convierte la fuerza de frenado del vientoque ejercen las aspas, en un movimiento giratorio delrotor.

Si “m” es la masa del aire que pasa por el rotor y“v” su velocidad, la energía cinética del viento quellega al rotor es:

E = (1/2) m v2

Si “r” es la densidad del aire y “A” el área debarrido del rotor (figura 15), la masa de aire que pasacada unidad de tiempo por el rotor es:

m = r A V

De las expresiones anteriores:

E -> P = (1/2)r A v3

Donde ponemos “P” de potencia, en analogía conE de energía.

Si ahora consideramos que ”Cp” es el coeficien-

ENERGÍA EÓLICA


Figura 15




GIRA Y GIRA:En la actualidad exis-

ten turbinas con sólo 2palas, las mas potentes

cuentan con tres dehasta 40 metros cadauna (equivalente a unedificio de 13 pisos).Esta son realizadas conmateriales muy livianoscomo fibra de vidrio o fibrade carbono. En la base decada pala existe un meca-nismo que permite girarlaspara mejor aprovechamientode la dirección del viento.

ENTRANDO A LOS EJESEntre la hélice y el generador hay dosejes interconectados. El eje principalse conecta directamente a la hélice ypor eso gira muy lento, entre 20 y 30rotaciones por minuto. Entre este eje yel otro, conectado al generador, hayun conjunto de engranajes conocidoscomo “multiplicador” que hace que elsegundo eje gire a velocidades supe-riores a los 1500 giros por minuto.

TODO BAJO CONTROLCada turbina posee una computadoraque controla el funcionamiento de los

generadores en función de la dirección yla velocidad del viento. Este control com-

putarizado permite mover las palas yhasta “toda la turbina” para aprovechar el

viento al máximo rendimiento de modoque se pueda generar electricidad con

velocidades de viento inferiores a los10km/h. La computadora acciona unfreno cuando la velocidad del viento

supera el máximo establecido que, engeneral, está en el orden de los 90 km/h.

Ejeprincipal

Ejedelgenerador

Transmisiónde energía


EN BUSCA DEL VIENTOLo ideal es que el viento llegue a

la turbina en posición perpendiculara la torre. Es por eso que en gene-

ral, las turbinas poseen un sensorde dirección del viento conectado alsistema de control. Cuando el vien-to comienza a soplar de lado, la tur-bina intenta girar para tener el vien-

to de frente.

CUARTEL GENERALLas centrales eólicas tienen

un sistema de transmisióndonde se encuentran los

cables que salen de cada tur-bina. Desde allí, la energía

parte a través de la red eléctri-ca. El número de turbinas que

componen una central eólicavaría para cada proyecto

pudiendo ser una sola unidado más de 3000 turbinas comoen el caso de Altamont Pass

en los estados Unidos.

¡Y SE HIZO LA LUZ!Lo que diferencia a una turbina eólica deun molino es justamente “el generador”que aprovecha la rotación mecánica del eje(que en un molino puede mover un tritura-dor de granos o una bomba extractora deagua) para generar energía eléctrica. Estoocurre porque dentro del generador hayuna bobina (en general de cobre) en con-tacto con un imán que, por inducción pro-duce electricidad (principio de funciona-miento básico de un generador).

Anemómetro(mide lavelocidaddel viento)

Transmisiónde energía


te de potencia de la tur-bina, se obtiene la cono-cida expresión de lapotencia de salida:

P = (1/2) Cp r A v3

Esta expresiónexplica las directricesque ha seguido el desa-rrollo de la energía eóli-ca para generar electri-cidad:

El factor más influ-yente es el cubo de lavelocidad del viento,que ha obligado a perfeccionar los métodos de pros-pección de sitios y predicción certera de la velocidaddel viento.

El segundo factor es el área de barrido del rotorque depende del cuadrado de su diámetro, lo que haconducido el desarrollo estructural hacia la fabrica-ción de aspas cada vez más largas y resistentes a lasolicitación dinámica.

El tercer factor, es el rendimiento del rotor, queha guiado hacia continuos cambios de diseño aero-dinámico de aspas; y a posibilitar la generacióneléctrica a velocidad variable.

La figura 16 muestra la evolución de la energíaeólica generada con el paso del tiempo.

Cómo Funciona un Aerogenerador

Un aerogenerador transforma la energía cinéticadel viento en energía eléctrica. Se montan sobre unatorre a mas de 30 metros para capturar más energía.La fuerza del viento mueve las aspas y este movi-miento se transmite mediante una serie de engranajesa un generador eléctrico. Los antiguos diseños deaerogeneradores eran menos eficientes e incapacesde adaptarse a los cambios de dirección y velocidaddel viento. Los aerogeneradores se agrupan en zonas

idóneas formando centrales eólicas y estas formanparques eólicos.

Un aerogenerador es una máquina que transformala energía cinética del viento en energía eléctrica. Lafuerza del viento mueve las aspas del aerogenerador,la energía cinética del viento se convierte en energíamecánica rotacional y este movimiento se transmitemediante una serie de engranajes a un generador queproduce la energía eléctrica.

Los componentes claves de un aerogenerador sonla torre que soporta la góndola, las aspas y el genera-dor eléctrico.

La mayoría de los aerogeneradores modernosson de tres palas, de eje horizontal y poseen meca-nismos de orientación para obtener el máximo ren-dimiento y proteger el aerogenerador en caso devientos fuertes. El máximo inconveniente de unaerogenerador es el impacto visual que provoca enla zona donde se instala.

El funcionamiento de un aerogenerador es muysencillo. El viento mueve las palas del aerogeneradory a través de un sistema mecánico de engranajeshacen girar el rotor. La energía mecánica rotacionaldel rotor es transformada en energía eléctrica por elgenerador. Las partes principales de un aerogenera-dor (figura 17) son:

La góndola (carcasa) que protege las partes fun-damentales del aerogenerador.



Figura 16


Las palas del rotor que transmiten la potencia delviento hacía el buje.

El buje que es la parte que une las palas del rotorcon el eje de baja velocidad.

Eje de baja velocidad que conecta el buje delrotor al multiplicador. Su velocidad de giro es muylenta.

El multiplicador, permite que el eje de alta velo-cidad gire mucho más rápido que el eje de baja velo-cidad.

Eje de alta velocidad, gira a gran velocidad ypermite el funcionamiento del generador eléctrico.

El generador eléctrico que es una de las partesmas importantes de un aerogenerador. Transforma laenergía mecánica en energía eléctrica

El controlador electrónico, es un ordenador quemonitoriza las condiciones del viento y controla elmecanismo de orientación.

La unidad de refrigeración, mecanismo que sirvepara enfriar el generador eléctrico.

La torre que es la parte del aerogenerador quesoporta la góndola y el rotor. La góndola es donde seencuentran la mayoría de componentes principalesdel aerogenerador. La torre permite que las palasestén a la altura mas apropiada para obtener elmáximo rendimiento posible.

El mecanismo de orientación, está activado porel controlador electrónico, la orientación del aeroge-nerador cambia según las condiciones del viento.

La figura 18 muestra un corte de una turbinacomercial.

Existen dos tipos de aerogeneradores según ladisposición de su eje de rotación. Los aerogenerado-res de eje horizontal y los de eje vertical. Los aero-generadores de eje horizontal son los que el eje derotación del aerogenerador se encuentra paralelo alsuelo. Y los aerogeneradores de eje vertical son losque el eje de rotación está perpendicular. Por motivosde eficiencia y mayor rendimiento el tipo de aeroge-nerador mas habitual en la actualidad es el aerogene-rador de eje horizontal.

Aerogenerador de Eje Horizontal

La principal característica de un aerogenerador deeje horizontal es que el eje de rotación se encuentraparalelo al suelo. Los aerogeneradores horizontalestienen su eje de rotación principal en la parte superiorde una torre y necesitan un mecanismo de orientaciónpara hacer frente a los cambios bruscos en la direc-ción del viento. En la actualidad la mayor parte deaerogeneradores comerciales son de eje horizontaldebido al mayor rendimiento que producen con res-

ENERGÍA EÓLICA


Figura 17


pecto a los aerogeneradores de eje vertical. Las par-tes principales de un aerogenerador de eje horizontalson:

Rotor: las palas del rotor, construidas principal-mente con materiales compuestos, se diseñan paratransformar la energía cinética del viento en unmomento torsor en el eje del equipo. Los rotoresmodernos pueden llegar a tener un diámetro de 42 a80 metros y producir potencias equivalentes devarios MW. La velocidad de rotación está normal-mente limitada por la velocidad de punta de pala,cuyo límite actual se establece por criterios acústi-cos.

Caja de engranajes o multiplicadora: puedeestar presente o no dependiendo del modelo.Transforman la baja velocidad del eje del rotor enalta velocidad de rotación en el eje del generadoreléctrico.

Generador: existen diferentes tipos dependiendodel diseño del aerogenerador. Pueden ser sincróni-cos o asíncronos, jaula de ardilla o doblemente ali-mentados, con excitación o con imanes permanentes.

La torre: sitúa el generador a una mayor altura,donde los vientos son de mayor intensidad y parapermitir el giro de las palas y transmite las cargasdel equipo al suelo.

Sistema de control: se hace cargo del funciona-miento seguro y eficiente del equipo, controla laorientación de la góndola, la posición de las palas yla potencia total entregada por el equipo.

Todos los aerogeneradores de eje horizontal tie-nen su eje de rotación principal en la parte superiorde la torre, que tiene que orientarse hacia el viento dealguna manera. Los aerogeneradores pequeños seorientan mediante una veleta, mientras que los másgrandes utilizan un sensor de dirección y se orientanpor servomotores. Dado que la velocidad de rotaciónde las aspas es baja, la mayoría hacen uso de una cajareductora para aumentar la velocidad de rotación delgenerador eléctrico.

En general, la hélice está emplazada de tal mane-ra que el viento, en su dirección de flujo, la encuen-tre antes que a la torre (rotor a barlovento). Esto dis-minuye las cargas adicionales que genera la turbulen-cia de la torre en el caso en que el rotor se ubiquedetrás de la misma (rotor a sotavento). Las palas dela hélice se montan a una distancia razonable de latorre y tienen alta rigidez, de tal manera que al rotary vibrar naturalmente no choquen con la torre en casode vientos fuertes.

A pesar de la desventaja en el incremento de laturbulencia, se han construido aerogeneradores con



Figura 18


hélices localizadas en la parte posterior de la torre,debido a que se orientan en contra del viento demanera natural, sin necesidad de usar un mecanismode control. Sin embargo, la experiencia ha demostra-do la necesidad de un sistema de orientación para lahélice que la ubique delante de la torre. Este tipo de

montaje se justifica debido a la gran influencia quetiene la turbulencia en el desgaste de las aspas porfatiga. La mayoría de los aerogeneradores actualesson de este último tipo. Las turbinas eólicas se pue-den utilizar para producir electricidad para un solohogar o edificio, o pueden ser conectadas a la red deelectricidad. En la figura 19 vemos un generador deeste tipo, que posee las siguientes referencias:

1. Cimientos2. Conexión a la red eléctrica3. Torre4. Escalera de acceso5. Sistema de orientación6. Góndola7. Generador8. Anemómetro9. Freno10. Transmisión11. Pala12. Inclinación de la pala13. Buje del rotor

Aerogenerador de Eje Vertical

La principal característica de un aerogenerador deeje vertical es que su eje de rotación está en posiciónperpendicular con respecto al suelo. Son aerogenera-dores de fácil instalación que no necesitan de unagran torre para funcionar. Los aerogeneradores de ejevertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquierdirección del viento. No es necesario que dispongande ningún mecanismo de orientación ante cambios dela dirección del viento. Son ideales en zonas de vien-to débil. La máxima desventaja del aerogenerador deeje vertical es su bajo rendimiento, debido a la resis-tencia que las palas ofrecen al viento y a la poca altu-ra que se encuentra el rotor. Los aerogeneradores ver-ticales mas habituales son el aerogenerador Darrieusy el aerogenerador Savonius de los cuales ya hemoshablado en otras entradas.

Turbinas Eólicas Pequeñas

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

ENERGÍA EÓLICA


Figura 19


comunicaciones, o para el bombeo de agua. A vecesse utilizan las turbinas pequeñas junto con generado-res diesel, baterías, y sistemas fotovoltaicos. Estossistemas se llaman sistemas eólicos híbridos y se uti-lizan normalmente en sitios apartados, donde no esposible la conexión a la red eléctrica o en sitios dondela conexión a la red eléctrica es muy cara.

Una turbina eólica funciona al contrario que unventilador, en lugar de utilizar electricidad para pro-ducir viento, como un ventilador, las turbinas eólicasutilizan el viento para producir electricidad. El vien-to da vueltas a las láminas, que hacen girar un eje,que conecta con un generador y produce electricidad.

La energía del viento da vueltas a dos o tres lámi-nas a modo de propulsor alrededor de un rotor. Elrotor está conectado con el eje principal, que hacegirar un generador para crear electricidad.

Las turbinas eólicas se montan en una torre paracapturar la máxima energía. A unos 30 metros dealtura o más, pueden aprovechar viento más rápido ymenos turbulento.

Referencias

Bergey, M., SmallWind Systems For RuralEnergy Supply, VillagePower 2000, Washington,DC, USA, 2000. Brothers,C., Wind GenerationSystems for RemoteCommunities - MarketAssessment andGuidelines for WindTurbines Selection,Canadian ElectricalAssociation, Project no.9123 G 880, 1993. CAD-DET, Technical Bulletinno. 143, 2001. CanadianWind Energy Association(CanWEA), Wind EnergyBasic Information,Backgrounder Published

with Support from CANMET, 1996. Conover, K., WindEnergy Financial Due Diligence, R. Lynette &Associates, Seminar on Opportunities for Finance andInvestment in Wind Energy, 1994. Elliot, D. et al., WindEnergy Resource Atlas of the United States, SERI, 1986.Gipe, P., Wind Energy Comes of Age, John Wiley &Sons, Inc., New York, NY, USA, 1995. Hiester, T.R. andPennell, W.T., The Siting Handbook for Large WindEnergy Systems, WindBooks, New York, NY, USA,1981. Le Gouriérès, D., Wind Power Plants: Theory andDesign, Pergamon Press, 1982. Leng, G., Dignard-Bailey, L., Bragagnolo, J., Tamizhmani, G. and Usher, E.,Overview of the Worldwide Photovoltaic Industry,Report no. 96-41-A1 (TR), CANMET Energy Diversification Research Laboratory, Natural Resources Canada,Varennes, QC, Canada, J3X 1S6, 1996. Li, K.W. andPriddy, A.P., Power Plant System Design, John Wiley &Sons, Inc., New York, NY, USA, 1985. Lynette, R. andAss., Technical and Economic Potential for Wind EnergyDevelopment in Ontario, Prepared for IndependentPower Producers' Society of Ontario, 1992. NREL,HOMER, The Hybrid Optimization Model for ElectricRenewables, Available from National Renewable EnergyLaboratory, 1617 Cole Boulevard, Golden, CO 80401-3393, USA, 2001. Winkra-Recom, Wind Turbine Market- Types, Technical Characteristics, Prices, 1995/96. Zond,Wind Power Economics.




ENERGÍA HIDROELÉCTRICA


Energía HidroeléctricaPRÁCTICAS Y PROYECTOS

Tal como dice el Instituto de Energía y Desarrollo Sustentable, Comisión Nacional de Energía Atómica, “Cuandoencendemos una luz, ponemos en funcionamiento un artefacto eléctrico como por ejemplo un televisor, esta-mos utilizando Energía Eléctrica y una de las formas de obtener este tipo de Energía es a través de una centralhidroeléctrica. En las centrales hidroeléctricas la energía se obtiene de la caída del agua desde cierta altura a un nivel inferiorlo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La energía hidráulica tiene su origen en el "ciclodel agua", generado por el Sol, al evaporar las aguas de los mares, lagos, etc. Esta agua cae en forma de lluviasy nieves sobre la tierra y escurre hasta el mar, donde el ciclo se reinicia. El agua que ha caído en las partes altaspuede ser captada en lagunas y embalses, y conducida por canales y túneles hasta el lugar donde se emplea ócomo se ha dicho en el párrafo anterior hacer caer el agua a una rueda hidráulica, la cual al girar, puede movermolinos de harina, soplantes para fraguas, molinos para minerales y otras muchas aplicaciones. Las micro-centrales hidroeléctricas son pequeños sistemas energéticos que aprovechan la energía renovable de peque-ños y medianos cursos de agua y la transforman en energía eléctrica. Funcionan con desniveles de 2 a 200metros y caudales de 0,5 a 3000 litros/seg. Proporcionan energía eléctrica en corriente continua o alterna en unrango de 0,5 hasta 150kW. de potencia. Las microcentrales hidroeléctricas constituyen una alternativa energéti-ca viable, cohabitando en perfecta armonía con el hombre y el medio ambiente. No contaminan, producen "ener-gía limpia" sin causar daños hidrológicos.

En este manual veremos algunos aspectos generales sobre la producción de energía hidroeléctrica, le propo-nemos el armado “artesanal” de un pequeño generador Hidroeléctrico (molino de viento) y lo invitamos a des-

cargar gratuitamente una serie de proyectos adicionales de suma utilidad práctica.

Cap 5 Club 69 11/5/10 10:43 AM Página 61

Introducción

En general, podemos decir que las centraleshidroeléctricas son confiables, de construcción sen-cilla, larga vida útil y mínimo mantenimiento.

Favorecen el asentamiento humano mejorandolas condiciones de calidad de vida y promueven eldesarrollo industrial, económico y social, lograndoel equilibrio entre tecnología y naturaleza.

Están llamadas a cumplir un rol cada vez másimportante en la solución de los problemas energéti-cos en el ámbito rural, donde arribar con una líneade corriente eléctrica implica costos muy altos.

Los lugares de aplicación más comunes de lascentrales hidroeléctricas son en zonas alejadas de lared de suministro eléctrico y centros de distribución;y en sitios donde se desea aprovechar un recursohídrico disponible para generar energía a los efectosde iniciar alguna explotación agrícola/ganadera,forestal, industrial, minera o turística:

- Estancias agrícola/ganaderas. - Complejos hoteleros. - Aduanas en zonas fronterizas. - Puestos de Gendarmería nacional. - Seccionales de guardaparques. - Refugios de montaña. - Campamentos viales, mineros,

forestales, etc. - Poblaciones rurales. - Pobladores particulares.

Sin embargo, se puede aprovechar laenergía propia del movimiento del aguapara generar energía eléctrica por mediode una gran cantidad de proyectos rela-cionados con pequeños molinos caseros.

Centrales Hidroeléctricas

Las Centrales Hidroeléctricas oHidráulicas se construyen en los caucesde los ríos, en zonas donde el caudal de

agua en movimiento es suficientemente abundante ycontinuo, para poder aprovechar la fuerza gravita-cional de un salto o el fluir del agua.

El aprovechamiento hidráulico de los ríos, sebasa en el principio fundamental de que la velocidaddel flujo de estos es básicamente constante a lo largode su cauce. Pero la energía potencial no se convier-te íntegramente en cinética como sucede en el casode una masa en caída libre, la cual se acelera, sinoque ésta es invertida en las llamadas pérdidas, quesucede cuando la energía potencial se “pierde” envencer las fuerzas de fricción con el suelo, en eltransporte de partículas, en formar remolinos, etc.

Las Centrales Hidroeléctricas se encargan deevitar estas pérdidas, aprovechando casi toda laenergía potencial. A medida que la tecnología haavanzado, se ha ido perfeccionando la maquinariapara aprovechar mejor el salto de agua en su pro-ducción de energía y perder la menor cantidad posi-ble de ésta. En el pasado, con los aparatos primitivosse llegaba a perder hasta el 70% de la energía poten-cial, mientras que en la actualidad, las turbinasmodernas permiten un rendimiento del 85 al 91%.



Figura 1


Uno de los tipos de centrales más comunes sonlas Centrales de Embalse, que con presas de conten-ción reservan agua en un embalse. Estas centralespermiten aprovechar la energía potencial de la caídadel agua entre dos niveles (salto geodésico), quepasa a convertirse en energía cinética. El agua esimpulsada a través de la tubería forzada, entrando deeste modo en las turbinas hidráulicas a gran veloci-dad, provocando un movimiento de rotación queproduce energía mecánica, que finalmente se trans-forma en energía eléctrica por medio de los genera-dores eléctricos (alternadores).

La potencia de una Central Hidroeléctrica esproporcional a la altura del salto y al caudal turbina-do, por lo que es muy importante determinar correc-tamente estas variables para el diseño de las instala-ciones, y el tipo y tamaño de los equipos.

Elementos de la Energía Hidroeléctrica

Una masa de agua situada a unadeterminada altura posee una energíapotencia igual al producto de la masa(m), la aceleración de la gravedad (g) y laaltura desde donde cae el agua (h), que setransforma en energía cinética al dejarlacaer libremente (1/2 mv2). Se entiendecomo energía hidráulica la energía aso-ciada a las corrientes o saltos de agua,siendo las centrales hidroeléctricas las

encargadas de aprovechar esta energía y transfor-marla en energía eléctrica. Para poder obtener ener-gía eléctrica a partir de la energía asociada con elmovimiento del agua son necesarios los siguienteselementos

1) Embalse

Un embalse es el lugar donde se almacena elagua (figura 1), y consta de la presa y los desagües.

a) Presa. Es una barrera interpuesta en el caucede un río para retener y almacenar su agua, elevan-do el nivel considerablemente y regulando e l caudalde salida (figura 2). Atendiendo a la forma de resis-tir el empuje de la corriente hay dos tipos de presa:presas de gravedad, en las que el empuje del agua secontrarresta con el peso del muro que forma la

presa, y presas de bóveda, enforma de arco, con lo que se con-sigue soportar mejor la presióndel agua.

Una presa sólo puede retenera un cauce natural, si retuviera uncanal sería considerada una balsa.

Las presas de hormigón sonlas más comunes y según su dise-ño hay 4 tipos diferentes: Presasde Gravedad, Presas deContrafuertes, Presas de Arco-Bóveda y Presas de Tierrra oEscollera.



Figura 2

Figura 3


b) Desagües. Son aperturas dispuestas en lapared principal de la presa (figura 3) a través de lascuales se controla la salida del agua. Existen trestipos de desagües: de superficie, de medio fondo yde fondo.

-Desagües de superficie o aliviaderos. Seencuentran en la parte superior de la presa y tienenla función de regular el nivel del agua para evitar eldesbordamiento. Pueden ser de tres clases en fun-ción del tipo de compuerta utilizada: de compuertavertical, construida con materiales que resisten lapresión del agua (como la chapa reforzada) que sedesliza sobre raíles; de compuertas de segmento,que están formadas por una estructura metálica suje-ta a un eje de giro cuyo extremo tiene forma desuperficie cilíndrica, se utilizan en caudales no muyelevados; y válvulas de retención (clapetas), com-puestas de una báscula unida por uno de sus extre-mos a la parte superior de la compuerta de tal formaque cuando la compuerta desciende se abre y fluyeel agua.

-Desagües de medio fondo. Son desagües que sealimentan a media altura de la presa.

-Desagües de fondo. Son desagües situados en laparte inferior de la presa.

En la figura 4 podemos apreciar una gráfica sim-

plificada de una central Hidroeléctrica con sus com-ponentes básicos.

2) Tuberías de conexión

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

Están construidas con materiales de gran resis-tencia como acero, fundición, fibrocemento o plásti-co reforzado con fibra de vidrio. El diámetro y gro-sor de las tuberías dependen del caudal de la presa,y se sostienen en el suelo mediante apoyos y conanclajes de hormigón en los cambios de dirección;pueden ser aéreas o subterráneas.

Como dijimos, también, hay aliviaderos, com-



Figura 4

Figura 5


puertas y válvulas de control. Todas las centraleshidroeléctricas disponen de dispositivos que permi-ten el paso del agua desde el embalse hasta el caucedel río, aguas abajo, para evitar el peligro por des-bordamiento que podrían ocasionar las crecidas. Enesos casos es necesario poder evacuar el aguasobrante sin necesidad de que pase por la central(figura 6).

3) Planta transformadora o sala de máquinas

Son las instalaciones donde se transforma laenergía cinética del agua en energía eléctrica. Laspartes que componen una planta transformadora sonlos elementos de cierre y reguladores y las turbinas(figura 7).

a) Elementos de cierre y reguladores. Son losencargados de impedir o regular la entrada del aguaen la planta.

b) Turbinas. Los dos tipos más habituales deturbinas hidráulicas son las de acción y las de reac-ción.

-Turbinas de acción. Para hacer girar las aspas seaprovecha sólo la velocidad del agua. Estas turbinaspueden ser de flujo cruzado, de tipo Pelton y otras.La más usada es la turbina Pelton, en la que el aguaque empuja los álabes es impulsada por inyectoresque regulan el caudal, y se emplea para centrales depequeño caudal y con un gran salto de agua. Tienela característica de que admite una amplia variaciónde caudal, y, en caso de parada, cuenta con un



Figura 6

Figura 7

Figura 8


deflector de chorro, mecanismo quedirige el agua directamente al desa-güe evitando una sobrepresión en latubería.

-Turbinas de reacción. En estasturbinas el movimiento de los álabeses provocado tanto por la velocidadcomo por la presión del agua.

Hay varios tipos de turbina dereacción: turbina Francis de hélice,Kaplan, etc.

La primera turbina de uso hidráu-lico fue patentada en Francia porBenoit Fourneyron en 1827. Detodas las patentadas, actualmentesolo se fabrican 4: Pelton (deacción); Francis (de reacción, conalabes fijos); Deriaz (de reacción conalabas orientables) y Kaplan (dereacción, de flujo axial y alabesmóviles).

Fue el ingeniero ingles JohnSmeaton quien impulso el desarrollodel uso de la energía hidráulica y en1880 en Northumberland, Inglaterra,se hizo la primera central hidroeléc-trica. La central de Salto Grande enArgentina, por ejemplo (figura 8), posee turbinastipo Kaplan. En la figura 9 podemos apreciar unapequeña infografía que ejemplifica a estos dos tiposde turbina.

4) Generador y elementos anexos.

Los elementos anexos o complementarios sonlos elementos necesarios para controlar el procesode generación de corriente eléctrica y regularlocomo ser el transformador y el tendido de la líneaeléctrica.

Los transformadores son el equipo que se encar-ga de convertir la corriente de baja tensión en unacorriente de alta tensión y disminuir la intensidad dela corriente eléctrica. De este modo, se pierde menosenergía en su transporte (figura 10).

Líneas de transporte de energía eléctrica: Laelectricidad producida se transporta por cables dealta tensión a las estaciones de distribución, dondese reduce la tensión mediante transformadores hastaniveles adecuados para los usuarios.

Las líneas primarias pueden transmitir electrici-dad con tensiones de hasta 500.000 volt o más. Laslíneas secundarias que van a las viviendas tienentensiones de 220 o 110 volt.

Tipos de Centrales Hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas se pueden clasificarsegún sus características orográficas, atendiendo asu estructura o según la potencia que generen.



Figura 9

Figura 10


Veamos entonces estas clasificaciones a grandesrazgos:

1) Según sus características orográficas, lascentrales hidráulicas se dividen en centrales fluyen-tes y centrales con regulación:

1.1) Centrales fluyentes. Están situadas en ríoscon un caudal constante, de forma que no requierenla formación de un embalse o éste es de pequeñasdimensiones. La recogida de agua se hace directa-mente del río y va hacia las turbinas.

1.2) Centrales con regulación. Son las que estánsituadas en lugares donde es necesario embalsar elagua y provocar un salto elevado de la misma.

2) Según su estructura, se clasifican en centralespor desviación de las aguas y de pie de presa:

2.1)Centrales por desviación de las aguas. Enéstas se desvía parte del caudal del río mediante unazud o muro situado transversalmente a la corriente.Con ello se crea un remanso sin necesidad de elevarmucho el nivel del agua.

El agua desviada se canaliza con la toma (ensan-chamiento en la parte anterior del canal que agilizala entrada del agua) hasta el canal de derivación, quepuede ser a cielo abierto o por tubería. Desde allí sedirige a la cámara de carga o depósito donde sealmacena el agua y del que parte la tubería forzada,que lleva el agua hacia la planta transformadora.

2.2)Centrales de pie de presa. Requieren la cons-trucción de una presa que almacene el agua a unaaltura determinada. Si son de alta o media caída elagua llega a la turbina (generalmente horizontal deimpulsión) a gran velocidad, con lo que no es nece-sario un generador de mucho diámetro. Si son debaja caída se necesitan turbinas de reacción, que sonmucho más voluminosas debido al gran caudal deagua que deben hacer pasar y, además, los genera-dores son también de grandes dimensiones por lapoca velocidad del agua.

3.-Según la potencia que generan, se clasificanen minicentrales y macrocentrales:

3.1) Minicentrales hidráulicas. Generan poten-cias comprendidas entre los 250kW y los 5.000kW.En esta cateogoría también podríamos incluir a losmodernos generadores de uso hogareño y también alos de construcción csera o artesanal.

3.2) Macrocentrales o centrales hidráulicas. Segeneran potencias superiores a 5.000kW.

Por último, un tipo especial de generación es lallamada central de bombeo, en la que el embalse apartir del cual se genera energía hidroeléctrica reci-be el agua por bombeo desde otro embalse inferior.Para ello, además de los elementos con los quecuenta una central convencional, es necesario el usode bombas que eleven el agua. Su principal aplica-ción es combinándola con una central térmica,nuclear o hidroeléctrica convencional, y se implantaen lugares donde hay un desfase entre la energíagenerada y la demanda de energía, bien sea porqueparalizar la producción de energía es poco rentable(centrales térmicas y nucleares en las que el costo detiempo y dinero del arranque no es rentable) o por-que, si no se evacua el agua, se desbordaría elembalse (centrales hidráulicas). Por ejemplo, a lolargo del día una central puede tener una demandaque sobrepase su capacidad de generación eléctrica,y por la noche, producir más de lo que se consume.Para evitar este desfase, durante la noche la energíasobrante se utiliza para bombear agua a un embalsesuperior, de tal fortuna que durante el día, con elagua almacenada, se genera la energía necesariapara cubrir el exceso de demanda sin que la centraltenga que sobredimensionarse para generaría por símisma.

Ventajas e Inconvenientes de las Centrales Hidroeléctricas

Entre las ventajas que ofrece tanto el uso de laenergía hidráulica como de las instalaciones que laacompañan, podemos citar las siguientes:

-El proceso de transformación de la energíahidráulica en eléctrica es «limpio», es decir, no pro-




duce residuos ni da lugar a la emisión de gases opartículas sólidas que pudieran contaminar laatmósfera.

-Las presas que se construyen para embalsar elagua permiten regular el caudal del río, evitando deesta forma inundaciones en épocas de crecida yhaciendo posible el riego de las tierras bajas en losperíodos de escasez de lluvias.

-El agua embalsada puede servir para el abas-tecimiento a ciudades durante largos períodos detiempo.

-Los embalses suelen ser utilizados como zonasde recreo y esparcimiento, donde se pueden practi-car una gran cantidad de deportes acuáticos: pesca,remo, vela, etc.

No obstante, la utilización a gran escala de laenergía hidráulica también presenta inconvenientes.Entre ellos mencionaremos:

-Los embalses de agua anegan extensas zonasde terreno, por lo general muy fértiles y en ocasio-nes de gran valor ecológico, enlos valles de los ríos. Incluso, enalgunos casos, han inundadopequeños núcleos de población,cuyos habitantes han tenido queser trasladados a otras zonas:esto significa un trastorno consi-derable a nivel humano.

-Las presas retienen las are-nas que arrastra la corriente yque son la causa, a lo largo deltiempo, de la formación de deltasen la desembocadura de los ríos.De esta forma se altera el equili-brio, en perjuicio de los seresvivos (animales y vegetales) exis-tentes en la zona.

-Al interrumpirse el cursonatural del río, se producen gra-ves alteraciones en la flora y enla fauna fluvial.

-Si aguas arriba del río exis-

ten vertidos industriales o de alcantarillado, se pue-den producir acumulaciones de materia orgánica enel embalse, lo que repercutirá negativamente en lasalubridad de sus aguas.

-Una posible rotura de la presa de un embalsepuede dar lugar a una verdadera catástrofe (ejem-plo: presa de Tous, en la provincia de Valencia).

-Por último, reseñar la gran dependencia queexperimenta la energía hidráulica respecto a lasprecipitaciones, pues en épocas de sequía es nece-sario reservar parte del agua embalsada para otrosusos no energéticos.

Minicentrales Hidroeléctricas

La superficie terrestre está cubierta en un 71%de agua. La energía hidroeléctrica proviene indirec-tamente de la energía del sol, responsable del ciclohidrológico natural. La radiación que procede de lasfusiones nucleares que se producen en el sol calien-



Figura11


tan la superficie terrestre, ríos, lagos y océanos, pro-vocando la evaporación del agua. El aire calientetransporta el agua evaporada en forma de nubes yniebla a distintos puntos del planeta, donde cae nue-vamente en forma de lluvia y nieve. Una parte de laenergía solar permanece almacenada en el agua delos ríos, los lagos y los glaciares.

Las centrales y minicentrales hidroeléctricastransforman esa energía en electricidad, aprove-chando la diferencia de desnivel existente entre dospuntos. La energía se transforma primero en energíamecánica en la turbina hidráulica, ésta activa elgenerador, que transforma en un segundo paso laenergía mecánica en energía eléctrica (figura 11).

La potencia instalada no constituye el criteriobásico para diferenciar una minicentral de una cen-tral hidroeléctrica convencional. Una minicentral noes una central convencional a escala reducida. Unaturbina de unos cientos de kilovatios tiene un diseñocompletamente distinto del de otra de unos cientosde megavatios y para producir algunos kilowatt eldiseño se simplifica enormemente. Desde el puntode vista de obra civil, una minicentral obedece aprincipios completamente distintos a las grandescentrales alimentadas por enormes embalses.

Tipos de Minicentrales Hidroeléctricas

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

cionadas por las peculiaridades y características quepresente el lugar donde vayan a ser ubicadas.

Cuando se vaya a poner en marcha una instala-ción de este tipo hay que tener en cuenta que la topo-grafía del terreno va a influir tanto en la obra civilcomo en la selección de la maquinaria.

Según el emplazamiento de la central hidroeléc-trica se realiza la siguiente clasificación general:

-Centrales de agua fluyente. Captan una partedel caudal del río, lo trasladan hacia la central yuna vez utilizado, se devuelve al río.

-Centrales de pie de presa. Se sitúan debajo delos embalses destinados a usos hidroeléctricos o aotros usos, aprovechando el desnivel creado por lapropia presa.

-Centrales en canal de riego o de abastecimiento.

Central de agua fluyente

Es aquel aprovechamiento en el que se desvíaparte del agua del río mediante una toma, y a travésde canales o conducciones se lleva hasta la centraldonde será turbinada, figura 12. Una vez obtenida laenergía eléctrica el agua desviada es devuelta nue-vamente al cauce del río.

Dependiendo del emplazamiento donde se sitúela central será necesario la construcción de todos osólo algunos de los siguientes elementos:

- Azud.

- Toma.

- Canal de derivación.

- Cámara de carga.

- Tubería forzada.

- Canal de descarga.

- Edificio central y equipa-miento electro-mecánico.

- Subestación y línea eléctrica.



Figura 12


Dentro de este grupo hay diver-sas formas de realizar el proceso degeneración de energía. La caracte-rística común a todas las centralesde agua fluyente es que dependendirectamente de la hidrología, yaque no tienen capacidad de regula-ción del caudal turbinado y éste esmuy variable. Estas centrales cuen-tan con un salto útil prácticamenteconstante y su potencia dependedirectamente del caudal que pasapor el río.

En algunos casos se construyeuna pequeña presa en la toma de agua para elevarel plano de ésta y facilitar su entrada al canal otubería de derivación.

El agua desviada se conduce hasta la cámara decarga, de donde sale la tubería forzada por la quepasa el agua para ser turbinada en el punto másbajo de la central.

Para que las pérdidas de carga sean pequeñas ypoder mantener la altura hidráulica, los conductospor los que circula el agua desviada se construyencon pequeña pendiente, provocando que la veloci-dad de circulación del agua sea baja, puesto que lapérdida de carga es proporcional al cuadrado de lavelocidad. Esto implica que en algunos casos,dependiendo de la orografía, la mejor solución seaoptar por construir un túnel, acortando el recorridohorizontal.

Otros casos que también se incluyen en estegrupo, siempre que no exista regulación del caudalturbinado, son las centrales que se sitúan en elcurso de un río en el que se ha ganado alturamediante la construcción de una azud, sin necesi-dad de canal de derivación, cámara de carga nitubería forzada.

Central de pie de presa

Es aquel aprovechamiento en el que existe laposibilidad de construir un embalse en el cauce delrío para almacenar las aportaciones de éste, ade-

más del agua procedente de las lluvias y del des-hielo. La característica principal de este tipo deinstalaciones es que cuentan con la capacidad deregulación de los caudales de salida del agua, queserá turbinada en los momentos que se precise,figura 13. Esta capacidad de controlar el volumende producción se emplea en general para propor-cionar energía durante las horas punta de consu-mo.

La toma de agua de la central se encuentra enla denominada zona útil, que contiene el total deagua que puede ser turbinada. Debajo de la tomase sitúa la denominada zona muerta, que simple-mente almacena agua no útil para turbinar.

Según la capacidad de agua que tenga la zonaútil la regulación puede ser horaria, diaria o sema-nal. En las minicentrales hidroeléctricas el volu-men de almacenado suele ser pequeño, permitien-do por ejemplo producir energía eléctrica unnúmero de horas durante el día, y llenándose elembalse durante la noche.

Si la regulación es semanal, se garantiza la pro-ducción de electricidad durante el fin de semana,llenándose de nuevo el embalse durante el resto dela semana. También se incluyen en este grupoaquellas centrales situadas en embalses destinadosa otros usos, como riegos o abastecimiento de aguaen poblaciones. Dependiendo de los fines para losque fue creada la presa, se turbinan los caudalesexcedentes, los caudales desembalsados para rie-gos o abastecimientos, e incluso los caudales eco-



Figura13


lógicos. Las obras e instalaciones necesarias paraconstruir una minicentral al pie de una presa queya existe son:

- Adaptación o construcción de las conduccio-nes de la presa a la minicentral.

- Toma de agua con compuerta y reja.

- Tubería forzada hasta la central.

- Edificio y equipamiento electromecánico.

- Subestación y línea eléctrica.

Central hidroeléctrica en canal de riego

Se distinguen dos tipo de centrales dentro deeste grupo:

Aquellas que utilizan el desnivel existente en elpropio canal. Mediante la instalación de una tube-ría forzada, paralela a la vía rápida del canal deriego, se conduce el agua hasta la central, devol-viéndola posteriormente a su curso normal encanal.

Aquellas que aprovechan eldesnivel existente entre el canaly el curso de un río cercano,figura 14. La central en estecaso se instala cercana al río yse turbinan las aguas excedentesen el canal.

Las obras que hay que reali-zar en estos tipos de centralesson las siguientes:

- Toma en el canal, con unaliviadero que habitualmente esen forma de pico de pato paraaumentar así la longitud del ali-viadero.

- Tubería forzada.

- Edificio de la central con elequipamiento electro-mecánico.

- Obra de incorporación alcanal o al río, dependiendo deltipo de aprovechamiento. -Subestación y línea eléctrica.

Bases de Diseño de un Sistema Hidroeléctrico

La potencia de una pequeña central hidroeléc-trica es proporcional a la altura del salto y al cau-dal turbinado, por lo que es muy importante deter-minar correctamente estas variables para el diseñode las instalaciones y el dimensionamiento de losequipos.

Es fundamental la elección de un caudal dediseño adecuado para definir el equipamiento ainstalar, de forma que la energía producida sea lamáxima posible en función de la hidrología. Portanto, el conocimiento del régimen de caudales delrío en la zona próxima a la toma de agua esimprescindible para la determinación del caudal dediseño del aprovechamiento.

La medición de los caudales del río se realiza



Figura14


en las estaciones de aforo,donde se registran los cau-dales instantáneos que cir-culan por el tramo del ríodonde está ubicada la esta-ción y a partir de estos sedeterminan los caudalesmáximos, medios y míni-mos diarios correspondien-tes a un gran número deaños, con los que se elabo-ran series temporales agru-padas por años hidrológi-cos.

Por tanto, en función dela ubicación del proyecto, primeramente se recopi-larán las series hidrológicas (de más de 25 años)de las estaciones de aforo existentes en la zona deimplantación de la central, con los datos de cauda-les medios diarios, para realizar el correspondien-te estudio hidrológico. No es objeto de este manualprofundizar en este tema sino que el lector tengabases iniciales de conocimiento.

En general, hay que realizar un estudio hidro-lógico teórico, basado en datos de precipitacionesde la zona y en aforos existentes en cuencas seme-jantes. En este caso, se deben recopilar y analizarlas series de datos pluviométricos disponibles,completando los períodos en los que falten datosutilizando métodos de correlación de cuencas,para lo que hay que determinar previamente lascaracterísticas físicas de la cuenca a estudiar, prin-cipalmente la superficie y los índices que definenla forma y el relieve de esa superficie. AClasificación de los años continuación se relacio-nan las aportaciones de ambas cuencas en funciónde las precipitaciones hidrológicos, superficies ycoeficientes de escorrentía, teniendo en cuenta losíndices de compacidad y de pendiente. Con estarelación se obtiene un factor corrector que permiteobtener las aportaciones y caudales de la cuencaestudiada, que han sido obtenidas a partir de losdatos de una cuenca semejante. Estos datos es con-veniente completarlos, además, con medidasdirectas del caudal en una sección del río a lo largode al menos un año.

Al final, en todo estudio hidrológico, sea teóri-co o con datos reales de caudales, se obtendrá unaserie anual lo suficientemente grande para realizaruna distribución estadística que nos tipifique losaños en función de la aportación registrada: “añosmuy secos, secos, medios, húmedos y muy húme-dos (figura 15)”.

Una vez obtenida la distribución anterior, setomará un año medio representativo y se construi-rá la curva de caudales clasificados de la cuencaestudiada que nos dará el caudal en la toma en fun-ción de los días del año en que se supera dichovalor. Caracteriza muy adecuadamente, en térmi-nos adimensionales, el régimen hidrológico de uncauce a efectos de su aprovechamiento hidroeléc-trico.

La curva de caudales clasificados proporcionauna valiosa información gráfica sobre el volumende agua existente, el volumen turbinado y el volu-men vertido por servidumbre, mínimo técnico ocaudal ecológico.

Para elaborar esta curva (representada en elgráfico de la figura 16), hay que calcular lossiguientes parámetros:

QM: Caudal máximo alcanzado en el año ocaudal de crecida.

Qm: Caudal mínimo del año o estiaje.

Qsr: Caudal de servidumbre que es necesario



Figura 15


dejar en el río por su cauce normal. Incluye elcaudal ecológico y el necesario para otros usos.El caudal ecológico lo fija el Organismo de cuen-ca, si no se conociera, una primera estimación esconsiderarlo igual al 10% del caudal medio inte-ranual.

Qmt: Caudal mínimo técnico. Es aquel direc-tamente proporcional al caudal de equipamientocon un factor de proporcionalidad “K” quedepende del tipo de turbina.

Qmt = K * Qe

Para una primera aproximación, se tomarán lossiguientes valores de “K”:

- Para turbinas PELTON: k = 0,10 - Para turbinas KAPLAN: k = 0,25 - Para turbinas SEMIKAPLAN k = 0,40 - Para turbinas FRANCIS k = 0,40

El caudal de equipamiento Qe se elegirá deforma que el volumen turbinado sea máximo, esdecir, el área encerrada entre los puntos A, B, C, D,E, A sea máxima (vea la figura 16).

Otra forma de determinarlo es, una vez des-

contado el caudal de servi-dumbre a la curva de cau-dales clasificados, se eligeel caudal de equipamientoen el intervalo de la curvacomprendido entre el Q80y el Q100 , siendo el Q80el caudal que circula por elrío durante 80 días al año yel Q100 el que circuladurante 100 días al año. Aveces no se elige el caudalque proporciona mayorproducción, ya que hay quetener en cuenta otros facto-res como pueden ser: lainversión necesaria, insta-laciones ya existentes quecondicionan el caudal aderivar (por ejemplo, cana-les, túneles, etc.).

Como puede deducir,las condiciones de diseño no terminan aquí, sedebe determinar cuál debe ser el salto neto mínimode agua para determinar la energía asociada, lapotencia necesaria y cuál será el equipo necesario,pero estos temas no los abordaremos ya que nosdedicaremos a indicarles cómo se puede construirun pequeño molino generador de energíaHidroeléctrica.

Si Ud. desea profundizar estos conocimientos,puede descargar un curso completo de energíaHidroeléc.crica desde nuestra web: www.webelec-tronica.com.ar, haciendo click en el ícono pass-word e ingresando la clave “hidrocurso”. Tambiénpuede visitar las páginas web que han servidocomo bibliografíaa para la elaboración de estemanual técnico.

Bibliografía

www.iescristobaldemonroy.eswww.surehistoria.bligoo.comwww.idae.eswww.agenergia.orgwww.buenastareas.com



Figura 16


4ª de forros.qxd 11/5/10 2:57 PM Página 4ªFo1

2ª de forros.qxd 11/5/10 2:56 PM Página 2ªFo1

Documents

Transcript of 2ª de forros.qxd 11/5/10 2:56 PM Página 2ªFo1