Energia Renovables Libro Elec

8/12/2019 Energia Renovables Libro Elec

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ENERGAS RENOVABLESConceptos y Aplicaciones

Santiago J. Snchez Mio

M.Sc. Energas RenovablesM.E.E. Master Electrical EngineeringIngeniero Elctrico

WWF - Fundacin NaturaQuito, Junio 2003


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Energas Renovables: Conceptos y Aplicaciones Santiago Snchez Mio

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PRLOGO


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AGRADECIMIENTOS


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Conexin a Tierra .................................................................................................... 43Pararrayos ................................................................................................................43Iluminacin.............................................................................................................. 43Aparatos Elctricos.................................................................................................. 43Diseo de un Sistema Solar Residencial ................................................................. 43

Procedimiento..............................................................................................................44

Disponibilidad del recurso....................................................................................... 44Datos de radiacin solar .......................................................................................... 45Estudio de carga ...................................................................................................... 45Dimensionamiento de los equipos........................................................................... 47Costos ......................................................................................................................50Integracin de los Sistemas Fotovoltaicos............................................................... 53

Sistemas Aislados ........................................................................................................ 53Sistemas Conectados a la Red ..................................................................................... 53Centrales Solares de Generacin ................................................................................. 54

CAPTULO 7: CALENTAMIENTO SOLAR.............................................................56Conceptos Bsicos de Termodinmica.................................................................... 56

Calor y Temperatura.................................................................................................... 56

Calor Especfico .......................................................................................................... 56Primera Ley de la Termodinmica .............................................................................. 56Segunda Ley de la Termodinmica .............................................................................57Formas de Transferencia de Calor...............................................................................58

Conduccin.............................................................................................................. 58Conveccin ..............................................................................................................59Radiacin.................................................................................................................59Colectores Solares ................................................................................................... 59

Funcionamiento del Colector Solar .............................................................................60Orientacin e Inclinacin del Colector........................................................................ 62Eficiencia del Colector Solar Plano.............................................................................63

Absortividad y Superficies Selectivas..................................................................... 64Radiacin Crtica..................................................................................................... 64Caudal de Agua ....................................................................................................... 64rea del Colector y Calor til................................................................................. 65Sistemas de Calentamiento de Agua con Colectores Solares .................................. 66

Termosifn ..................................................................................................................66Sistema de Bomba....................................................................................................... 66

Diseo de Sistemas de Calentamiento Solar ...........................................................67Demanda de Agua Caliente .........................................................................................67Produccin Energtica Anual del Colector ................................................................. 68Demanda Energtica Anual.........................................................................................68rea del Colector......................................................................................................... 69

Tanque de Almacenamiento........................................................................................ 69Bomba y Sistema de Control.......................................................................................69Calentamiento de Agua para Piscinas ......................................................................... 70

Otros Usos del Calentamiento Solar........................................................................71Secado de Granos ........................................................................................................71Desalinizacin de Agua............................................................................................... 72Cocinas Solares ...........................................................................................................72Arquitectura Solar Pasiva............................................................................................ 72

CAPTULO 8: LA ENERGA DEL VIENTO.............................................................75Pasado y Presente .................................................................................................... 75


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La Energa del Mar ................................................................................................ 128Energa de las Olas ....................................................................................................128Fuerza Mareomotriz .................................................................................................. 128Energa Ocano Trmica ...........................................................................................129

Medios de Almacenamiento de Energa................................................................ 129CAPTULO 11: HACIA UNA POLTICA ENERGTICA INTEGRAL EN EL

ECUADOR........................................................................................131Dependencia e Independencia Energtica ............................................................. 131Nueva Estructura del Sector Elctrico................................................................... 131Integracin del Usuario.......................................................................................... 133Basura y Transporte ............................................................................................... 134Eliminacin de Barreras a las Energas Renovables..............................................134Financiamiento ...................................................................................................... 135Aspectos Legales ................................................................................................... 136El Dilema del Futuro: Energas Renovables o Fin ................................................ 136

BIBLIOGRAFA ...........................................................................................................137SITIOS INTERNET ...........................................................................................................140NDICE DE MATERIAS...................................................................................................142

SOBRE EL AUTOR...........................................................................................................146


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ENERGAS RENOVABLES:Conceptos y Aplicaciones

INTRODUCCIN

Todas las actividades que desarrollamos en nuestra vida diaria estn relacionadas con laenerga. Al ingerir alimentos o tomar un refresco cargamos nuestro cuerpo con energaque ser luego utilizada en una actividad fsica o intelectual. De este modo la energa quealmacena nuestro cuerpo se va transformando en trabajo en mayor o menor grado.Al usar un medio de transporte estamos empleando la energa interna del combustible paragenerar el movimiento. Cuando grandes buques transportan su carga, utilizan igualmentecombustibles para desplazarse.

La electricidad tambin es otra forma de energa. En las oficinas, en el hogar o en la

escuela, utilizamos la energa elctrica para iluminar, para mover un motor o para producircalor en una plancha o en un tanque de agua caliente.

Las mismas plantas son pequeos mecanismos que transforman la energa del Sol enalimentos que les sirven para crecer. Al ingerir estos alimentos, en parte estamos tomandoesa energa del Sol para nuestro beneficio.

Podemos afirmar entonces, que el mundo no podra existir sin energa. Desde sus inicios,los seres humanos han buscado los medios para aprovechar la energa para su propio

beneficio. El descubrimiento del fuego en los albores de la civilizacin permiti disponerde calor y trabajar los metales para la fabricacin de herramientas y de armas. La fuerzadel agua o del viento, facilit el procesamiento de los alimentos y granos en los molinos.

Posteriormente, en la era industrial la invencin de la mquina de vapor dio a los sereshumanos la posibilidad de producir grandes fuerzas para sus actividades de trabajo. Msadelante, la introduccin de los motores de combustin interna que consumen combustiblesfsiles derivados del petrleo llev a la civilizacin a disfrutar de un alto grado de conforten el hogar y en el trabajo.

Cada vez el hombre va descubriendo nuevas formas de aplicar la energa de forma mseficientemente, aprovechando al mximo la capacidad energtica de la materia.Paralelamente, se va creando una conciencia de que el desperdicio de la energa y su usoexcesivo, afectan el equilibrio de la naturaleza.

En los dos ltimos siglos, el consumo de energa a nivel mundial creci enormemente pues

en menos de cien aos hemos pasado del transporte a caballo y barcos de vela o vapor avehculos de cientos de caballos de fuerza que alcanzan velocidades de cientos dekilmetros por hora. Actualmente, podemos llegar en pocas horas a los extremos delglobo, por o que decimos que las distancias se han acortado y el tiempo ha cobradosignificativa importancia. Sin embargo, la cantidad de energa necesaria para que esto selleve a cabo es mucho mayor.

Por todas estas consideraciones, es importante hacer varias reflexiones: Hasta dndellegar la civilizacin en el uso libre e ilimitado de la energa? Hasta cundo podr latierra proveernos de los recursos necesarios para este mecanismo funcionando? Qu


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CAPTULO 1: ENERGA

La naturaleza es un gran reservorio de almacenamiento de energa, a travs de las plantas,los animales y todos los elementos, ya sean estos vivos o inanimados. Podemos citarvarios ejemplos. Si vemos una cada de agua y la fuerza con que esa masa choca con la

base del ro nos impresionamos por la energa que se produce. En una tormenta de rayosnos mantenemos temerosos por la energa que tiene un rayo y los daos que puedeocasionar. Un huracn nos muestra la gran energa que los vientos pueden producir en latierra o en el mar. Las olas al chocar con toda su fuerza en un acantilado o al llegar a la

playa nos mantienen alejados. Qu decir de la energa que libera un volcn al erupcionaro cuando despierta de su letargo con una explosin de lava y ceniza. Al ver el Sol y esasimgenes de explosiones de miles de kilmetros que se producen en la superficie podemosimaginarnos la cantidad de energa que se produce y que a pesar de la distancia, llega a laTierra.

Asimismo, los seres humanos son tambin un mecanismo que transforma la energa de losalimentos para sobrevivir. Cuando una persona est decada o cansada decimos que notiene energa. La energa se asocia entonces con el movimiento, la actividad, o la fuerzavinculada a la actividad que podra generarse.

Definicin de Energa

Cuando hablamos de energa pensamos en el concepto de fuerza y muchas vecesempleamos ambos trminos indistintamente. Mientras ms fuerza ejerce un cuerpo serequiere ms energa, y si una misma fuerza se mantiene durante un mayor tiempo estoigualmente demanda mayor energa. Por ejemplo, al empujar un carro, estamos ejerciendouna fuerza en una direccin. Mientras mayor es la distancia a la que movemos el carro

estamos haciendo un mayor trabajo.

La definicin clsica de trabajoes una fuerza por una distancia, simblicamente:

dFW .= (1.1)Donde:

F = fuerza, y de mide en Newtons, recordemos que la fuerza a su vez es una masa poruna aceleracin, es decir [N] = [kg.m/s2]

d = distancia, y se mide en metros [m]W = trabajo, y la unidad es el Joule [J] = [N.m]

La energase define como la capacidad para producir trabajo1. De aqu que la unidadde la energa es la misma que la del trabajo, el Joule [J]. Si jugamos un poco con lasunidades J = kg m/s2. m = kg . m2/s2 ; como velocidad es igual a distancia sobre tiempo v=m/s, entonces J = kg. v2. Fue Albert Einstein (1879 1955) quien descubri que estavelocidad no es otra que la de la luz y dedujo su famosa frmula:

1Por lo general esta definicin se aplica a la materia, a pesar de que tambin sabemos que existe la energapsquica o mental, que an no sabemos cmo aprovecharla, pero hay evidencias de personas que con sumente pueden doblar metales o mover objetos. Es decir estn efectuando un trabajo Qu tipo de energa essta y quin nos asegura que en el futuro no podamos aprovechar de esta energa no material en lasmquinas?


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La masa de agua que fluye en un ro a cierta velocidad, la masa de aire que impacta en unmolino de viento o el vapor que mueve una turbina tienen una energa cintica. Es decir,energa en movimientoque es la que efectivamente produce el trabajo. Para producir estaenerga debemos llevar la masa desde su posicin de reposo a la de movimiento mediantela accin de una fuerza. Esa fuerza no se transfiere instantneamente sino que ha debido

tomar un tiempo. En reposo la velocidad es cero (velocidad inicial vo) para llegar luego deun tiempo a una velocidad mxima (velocidad final vf). Si queremos encontrar la energaen un momento determinado deberamos tomar la velocidad media v=1/2 (vo+ vf). Comoenerga es masa por velocidad al cuadrado, la energa cintica es:

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1 .vmEc= (1.4)Donde:

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

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

Formas de la Energa

La energa se manifiesta de las siguientes formas:

Tabla 1.1 Formas de EnergaForma Origen Produccin Usos

Trmica

Friccin, combustin,

energa cintica

Solar, geotrmica,

electricidad, qumica,

Cocinar, calefaccin,

vapor

RadianteSol, electricidad,radiacin

Solar, electricidad,qumica

Iluminacin,comunicaciones,medicina

Mecnica Energa potencialElica, Hidrulica,Mareomotriz, resortes

Mover mquinas

Elctrica

Electromagnetismo,piezoelectricidad,electricidad esttica,pilas y bateras

Centrales trmicas,centrales hidrulicas,fotovoltaica, celdas decombustible, pilas ybateras

Motores, electrnica,calentamiento,almacenamiento deenerga

QumicaCombustibles, plantas,animales, elementos

qumicos, biomasa

Biomasa, petrleo, gas,

carbn

Motores decombustin interna,cocinar alimentos,

transformacinqumica

Gravitacional Tierra Hidrulica Mover mquinas

Magntica Tierra, imanes Electricidad Electromagnetismo

Nuclear tomo Centrales nuclearesCentrales nucleares,electromedicina,radiologa


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Eficiencia Energtica

Una forma de energa puede transformarse en otra como consecuencia de un proceso,generalmente por la accin de una mquina. Es as como el agua que cae en una centralhidroelctrica, donde intervienen las formas mecnica y gravitacional, se transforma pormedio de un generador en energa elctrica y sta a su vez puede ser convertida por el

usuario en una forma trmica, radiante o mecnica. Esto nos lleva a uno de los conceptosms importantes sobre energa, que se conoce como la Primera Ley de laTermodinmicao Ley de Conservacin de Energa:

La energa no se pierde ni se destruye, solo se transforma.

El balance energticode un proceso debe ser cero: la energa que ingresa es igual a laenerga que se produce. La electricidad empleada por un motor elctrico se transforma enenerga mecnica ms prdidas de calor. Un proceso energtico es reversiblecuando se

puede ir de uno a otro lado del mismo sin modificar el total de energa involucrada en eseproceso. Es decir que, en este caso, la eficiencia es del 100%. Si al motor elctrico leconectamos un generador obtenemos electricidad y podramos volver al inicio del proceso.Sin embargo, sabemos que en la vida real esto no es factible pues existen prdidas porrozamiento y calor en el motor, por la resistencia de los conductores, por la friccin de losengranajes y por el campo magntico del generador. La eficienciadel proceso entoncesnunca llega al 100%. En la realidad energtica, todo proceso de transformacin esirreversible y el grado de aprovechamiento de la energa introducida en el mismo vienedeterminado por su eficiencia:

E

W= (1.5)

Donde:

= eficiencia (adimensional)W = Trabajo resultante del proceso, y se mide en Joules [J]E = Energa introducida en el proceso, y se mide en Joules [J]

Potencia y Energa

En muchos casos decimos que un automvil es muy potente cuando puede subir una cuestaa una buena velocidad, o cuando un tractor o un camin pueden llevar un gran peso sindificultad. La potencia se asocia entonces al tamao del motor o a la fuerza que puededar, y as, mientras ms grande es un motor, ms potente es. La unidad de la potencia enel sistema internacional de unidades es el vatio [W]. Se utiliza tambin la unidad caballo

de fuerza [hp], 1 hp = 746 W. Es muy comn utilizar el kilovatio [kW] o sea 1.000vatios para dimensionar los sistemas energticos.

La energa potencial del embalse de agua depende de la altura a la que est ubicado:mientras ms alto, ms potencia. Si tenemos dos embalses a la misma altura, uno con msagua que el otro, los dos tienen la misma potencia. Sin embargo, la energa que podemosaprovechar (o extraer) es mayor en el embalse ms grande, pues podemos mantener ungenerador funcionando durante ms tiempo. Es similar al caso del motor de gran potenciaque consume ms combustible que uno pequeo. El tiempo es muy importante ensistemas de energa. Podemos entonces decir que:


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t

EP= (1.6)

Donde:P = Potencia y se mide en vatios [W]E = Energa y se mide en Joules [J]

t = Tiempo y se mide en segundos [s]

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

Voltaje

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

IVP .= (1.7)Donde:

P= Potencia y se mide en vatios [W]V = Voltaje y se mide en Voltios [V]

I = Corriente y se mide en Amperios [A]

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

Fig. 1.1 Fuerza electromotriz o voltaje

Hay voltajes en corriente continua y corriente alterna, como veremos ms adelante. Unapila tiene 1,5 voltios de corriente continua; y, una batera 12 V de corriente continua. Losniveles de voltaje normalizados para electrodomsticos en el Ecuador son de 121 V y 210V corriente alterna o CA o AC2, esto es el nivel de bajo voltaje bajo. Las lneas elctricas

2Para un servicio elctrico trifsico, es decir tres fases con neutro, el voltaje entre fases V FFes de 210V y elvoltaje entre una fase y el neutro VFNes de 121 V (VFN= 3 VFF). Cuando el servicio en monofsico a doshilos, es decir una sola fase, el VFF= 220V y el VFN= 110V. Comnmente esta conexin se conoce comobifsica pero el trmino est mal utilizado pues se trata de una sola fase, ya que no hay generacin bifsica.

e-

e-

V V

0 0Mayor voltaje Menor voltaje


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de las ciudades tienen voltajes medios de 6.300V, 13.800V y 35.400 V. Los altos voltajesson de 69.000, 138.000 y 230.000 voltios. Vemos que si tenemos un alto voltaje lacorriente puede llegar ms lejos a las ciudades.

Corriente

La corriente elctrica es un flujo de electrones en un circuito elctricoy se mide enAmperios que se representa por la letra [A]. El nmero de electrones que circulandetermina la cantidad de corriente. Un amperio es un culombio durante un segundo, y unculombio es 6,24 x 1018 electrones.

Hay dos tipos de corriente: corriente continua y corriente alterna. Una pila tienecorriente continua es decir que se mantiene en el mismo sentido durante todo el tiempo. Lacorriente alterna cambia de sentido en el tiempo, es decir que es positiva y luego negativa.Los motores, transformadores y generadores funcionan con corriente alterna y es la queusamos en nuestras casas. La ventaja de la corriente alterna es que permite elevar losniveles de voltaje en un transformador elctrico para llevar la corriente a mayoresdistancias. La cantidad de veces que la corriente cambia de sentido en un segundo se

conoce como frecuencia y se mide en Hertz o [Hz]. En Ecuador y en la mayora de pasesdel continente americano la frecuencia estandarizada es de 60 Hz, mientras que en Europay Japn es de 50 Hz.

Fig. 1.2 Corriente continua y corriente alterna

Resistencia

Otro parmetro muy importante en los sistemas elctricos es la resistencia. La resistenciaes la dificultad que presenta un material al paso de la corriente elctrica. Se representa

por la letra R y su unidad es el ohmio []. Los conductores son materiales de bajaresistencia, en tanto que los aisladores tienen una alta resistencia. La resistencia esdirectamente proporcional a la resistividad (caracterstica de cada material) y a la longitude inversamente proporcional al rea. La resistencia se incrementa con la temperatura.

tiempo

I+

-

tiempo

I+

-

Corriente Continua Corriente AlternaNo cambia de sentido en el Cambia de positivo atiempo negativo en el tiempo


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Ley de Ohm

Podemos expresar la relacin entre voltaje, corriente y resistencia por la llamada Ley deOhm, que dice:

RIV .= (1.8)


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El mapa del mundo de la Fig. 2.1 muestra el consumo por habitante en TEP (toneladasequivalentes de petrleo) del ao 2001 para las diferentes regiones4. Como se puedeapreciar, el hemisferio norte tiene el mayor consumo, mientras que Ecuador tiene menos de1 TEP por habitante por ao.

La produccin mundial de energa de 70101 MBEP por fuente para el ao 2001 fue de:

Tabla 2.2 Produccin Mundial de Energa 2001Petrleo Gas Carbn M. Electricidad Biomasa34,6% 21,5% 33,0% 4,9% 6,0%

La potencia instalada mundial de energa elctrica al ao 2001 fue de 3343,5 GW(Gigavatios, 1 GW = 1x109 W = 1x106 kW), mientras que la energa generada fue de14.671 TWh (Teravatios hora, 1 TW = 1x1012 W). La distribucin de la potencia, se

presenta en la Tabla 2.3:

Tabla 2.3 Capacidad Elctrica Instalada Mundial 2001

Unidad Trmica Hidrulica NuclearSolar,Elica,

GeotrmicaMW 2.243.489 705.479 364.442 33.435% 67,1 21,1 10,9 1,0

La Energa en el Ecuador

En el ao 2001, segn datos de OLADE para Ecuador, el consumo final de energaentodas sus formas fue de 47,4 MBEP y solo para electricidad, de 8.104 GWh. Estorepresenta un consumo de 667 kWh/habitante por ao. Este ndice se ha utilizadotradicionalmente para determinar el nivel de desarrollo de los pases, pues se supone queun mayor consumo por habitante implica un mayor grado de desarrollo industrial. Sinembargo, en la regin latinoamericana los pases de El Caribe sin ser los de mayordesarrollo tienen un alto ndice de consumo, seguidos por los del cono sur, los andinos ylos de Amrica central, a excepcin de Mxico y Costa Rica que tienen valores altos. Un

4BP Statistical Review of World Energy 2002

percapita0-ll-22-33-4> 4

Fig. 2.1 Consumo de energa mundial en toneladas equivalentes de petrleo, ao


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Clasificacin de las Fuentes de Energa

Las fuentes de energa se clasifican en renovables y no renovables. Las energas norenovables son el petrleo, el gas natural y el carbn. Se las llama no renovables porquecuando se extrae estos combustibles de la tierra, no se los vuelve a reponer y sudisponibilidad es cada vez menor. Se forman por la descomposicin producida durante

millones de aos de material orgnico en el interior de la tierra. La energa nuclear estambin una fuente no renovable de energa.

Las fuentes de energa renovables, en cambio, provienen de fuentes inagotables,principalmente el Sol y la Tierra y su disponibilidad no disminuye con el tiempo. El Sol yla Tierra seguirn proveyndonos de energa durante algunos millones de aos ms, y conl los vientos, la fotosntesis de las plantas, el ciclo de agua, las fuerzas del mar y el caloral interior de la Tierra.

El cuadro siguiente resume las diversas fuentes de energa:

A las fuentes de energa renovable se las conoce tambin comoalternativas, pues ofrecenuna solucin diferente o alternativa a las tecnologas tradicionales.


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CAPTULO 3: ENERGAS NO RENOVABLES

Los combustibles fsiles se formaron hace ms de trescientos millones de aos, muchoantes de la era de los dinosaurios, por la descomposicin de microorganismos queocupaban los pantanos y el mar y fueron sepultados bajo capas de lodo, roca y arena decientos de metros en los sedimentos del mar y los ros. Por efecto del tiempo, del calor dela tierra, de la presin y de la accin de las bacterias, bajo cientos de metros se formaron

primero zonas con un lquido espeso que luego se transform en petrleo. El gas naturalse form en zonas ms profundas y a mayores temperaturas. Con el paso del tiempo el

petrleo y el gas natural fueron subiendo en la capa de la tierra y ubicndose enformaciones rocosas cerradas.

Acciones y fuerzas similares actuaron para formar el carbn con la transformacin deresiduos muertos de rboles y plantas que se combinaron con agua de ros y mares.Debido al contenido de azufre del agua de mar, el carbn formado con agua de mar tieneun mayor efecto contaminante comparado con el petrleo y el gas.

En los ltimos 50 aos el consumo de combustibles fsiles ha crecido en formasignificativa utilizndose primero el carbn, luego el petrleo y ahora el gas. Mientras en elao 1950 el carbn representaba el 62% del consumo total de combustibles fsiles, este seredujo al 28% en 1998. El petrleo tuvo su pico de consumo en 1980 con el 45% del total,mientras que el uso del gas natural ha venido incrementndose en los ltimos aos.

Figura 3.1: Consumo Mundial de Combustibles Fsiles por Fuente 1950 1998 (en millones de toneladas

equivalente de petrleo MTEP, 1 TEP = 42 GJ)Fuente: Worldwatch Institute

Gas Natural

El gas natural est constituido principalmente por metano. La molcula de metano es elms simple compuesto de hidrocarburo con cuatro tomos de hidrgeno unidos a uno decarbono. Cuando se quema metano se produce la siguiente reaccin qumica:

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 1998

Millonesdetoneladasequivalentesdepetrleo

[MTEP]

Gas Natural

Petrleo

Carbn


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CH4+ 2O2CO2 + 2H2O + ENERGA

Cuando se calienta el gas metano, cada molcula de metano se combina con dos molculasde oxgeno para producir dixido de carbono y agua, y se libera una gran cantidad deenerga. El oxgeno es vital en la produccin de energa con combustibles fsiles. Comoveremos ms adelante el dixido de carbono en la atmsfera es el mayor causante del

calentamiento del planeta.

Conviene aprovechar de este compuesto simple para dar una idea sobre la cantidad dedixido de carbono que se emite cuando quemamos combustibles fsiles. La masa de untomo de carbn es 12 veces la de un tomo de hidrgeno. La masa de oxgeno es 16 vecesla masa de un tomo de hidrgeno. Usando estos valores podemos reemplazar en lareaccin qumica del metano las masas atmicas para obtener:

C H4 + 2 O2 C O2 + 2 H2 O + ENERGA12 + (4 x 1) + 2 x (2 x 16) 12 + (2 x 16) + 2 x ((2 x 1) + 16)16 + 64 44 + 36

Es decir que por cada 16 kg de gas metano necesitamos 64 kg de oxgeno y se liberan 44kg de CO2 y 36 kg de agua. El calor producido por 1 kg de metano es de 55 mega joules(MJ) de modo que 16 kg producen 880 MJ. Entonces, por cada kilogramo de dixido decarbono que se emite a la atmsfera en la quema de gas metano se liberan 22 MJ de calor.

Las reservas potenciales de gas natural en el Ecuador se estiman en 105.000 millones dem3 (105 x 109m3; 1 m3= 1000 lt = 1 ton), pero el pas no dispone de la infraestructura

para utilizar este recurso. En Septiembre del 2002 se puso en funcionamiento una centraltermoelctrica de con una capacidad de 130 MW (20 unidades de 61 MW cada una), y conuna capacidad futura de 312 MW que aprovecha el gas natural del campo Amistad en elGolfo de Guayaquil, cuya capacidad est estimada en 8,78 x 109m3. Esta planta a plenacapacidad generara 789 GWh por ao de energa elctrica.

Petrleo

Para usar la energa del petrleo crudo, se lo debe procesar en una refinera y obtener aslos diferentes subproductos o combustibles. Dependiendo de la temperatura a la que secalienta podemos ir rompiendo la unin entre el carbono y el hidrgeno desde loscompuestos ms livianos con menor nmero de tomos de carbono hasta los ms pesados:gas (metano, etano, propano o butano, que bajo presin se convierte en gas licuado de

petrleo (GLP) usado en cocinas y para calentamiento de agua), nafta, gasolina, kerosene,diesel, fuel oil, gas pesado o aceite combustible (bunker), asfaltos, azufre peletizado y

otros residuos pesados. A partir de estos materiales ms pesados se producen otroscompuestos de importancia como parafinas, plsticos y fertilizantes.En Ecuador, las mayores refineras son: Esmeraldas con 110.000 BPD (barriles por da),La Libertad con 45.000 BPD y Amazonas con 20.000 BPD.

El consumo de combustibles en el Ecuador durante el ao 2001 se muestra en la Tabla 3.1.


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Tabla 3.1 Consumo de Derivados de Petrleo en el Ecuador Ao 2001

Producto Barriles Galones LitrosGasolinas 12.107.111 508.498.662 1.924.667.436Diesel 2 16.961.718 712.392.156 2.696.404.310Fuel Oil 10.032.018 421.344.756 1.594.789.901GLP 7.956.411 334.169.262 1.264.830.657Jet Fuel 1.597.268 67.085.256 253.917.694Otros 2.040.073 85.683.066 324.310.405TOTAL 50.694.599 2.129.173.158 8.058.920.403Fuente: Petrocomercial, cifras mes de Diciembre 2001

Carbn

El carbn es el combustible que ms se utiliza en el mundo para la produccin de vapor enlas plantas de generacin de energa elctrica. Las reservas de este material en los EstadosUnidos, Asia, Ex Unin Sovitica, Sudfrica, Australia y la parte norte de Sudamrica,

aseguran una provisin superior a los 250 aos al ritmo de consumo actual. Siendo unmaterial cuya explotacin ha llegado a altos niveles de tecnificacin, tiene un precio menorque el gas y el petrleo. El principal inconveniente que tiene el carbn es el grado deemisin de gases contaminantes, principalmente CO2, monxido de carbono y azufre, queinfluyen en el calentamiento del planeta. Para reducir este problema de contaminacin, sehan desarrollado varias tecnologas de calderos que optimizan la combustin del carbn auna menor temperatura. Plantas generadoras de energa en pases desarrollados, hantomado conciencia del tema ambiental y generan con un mnimo de contaminacin.

Los tipos de carbn son:Tabla 3.2 Tipos de Carbn

TipoContenido

Carbn %

CalorEspecfico

MJ / kgAplicaciones

Antracita 86 89 34,8 CalefaccinBituminoso 45 86 24,4 34,8 Electricidad, acero

Subbituminoso 35 45 19,3 30,2Bajo contenidoazufre, varias aplic.

Lignito 25 35 9,3 19,3 Electricidad

En el ao 2000 se consumieron en todo el mundo aproximadamente 4700 millones detoneladas de carbn.

En el Ecuador no se utiliza carbn mineral. El carbn que usamos para cocinar provienede la madera quemada. Las reservas de carbn, mayormente lignito y subbituminoso se

estiman en 24 millones de toneladas. En el futuro este tipo de energa no ser parte delrecurso energtico del pas.

Energa Nuclear

La energa del tomo se ha aprovechado desde inicios de los aos 1960 en la generacin devapor para la produccin de energa elctrica. Cuando un tomo de uranio235 (U-235) sedivide, libera dos o tres neutrones que impactan con otros tomos similares produciendouna reaccin en cadena que genera una gran cantidad de calor. Esta reaccin nuclearde


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material radiactivo, llamada masa supercrtica, y el calor generado se pueden controlar enuna planta de generacin nuclear por medio de cilindros de un material especial que alsubir o bajar absorbe los neutrones liberados por las barras de combustible nuclear que seencuentran en su interior.

Una libra de U-235, de tamao no mayor a una pelota de tenis, tiene una cantidad de

energa equivalente a 1 milln de galones de gasolina. De ah la razn por la que la energanuclear haya tenido tanto desarrollo.

A fines del ao 2001 las 438 plantas de generacin nuclear en todo el mundoproveyeron aproximadamente el 16% de la electricidad consumida, y hay 32 ms enconstruccin. En pases como Francia, el 77% de la generacin elctrica proviene de laenerga nuclear; en Blgica, el 58%; en Japn, el 37%; y, en los Estados Unidos, el 20%.La capacidad instalada de las plantas nucleares es de 351.327 MW.

La energa nuclear ha sido restringida en algunos pases, principalmente en Europa y losEstados Unidos, por los problemas asociados a la seguridad. Sin embargo las plantasnucleares seguirn suministrando energa por algunas dcadas ms. Se ha estimado que la

operacin de las centrales nucleares reduce las emisiones globales de CO2de cerca de 500millones de toneladas de carbn. El principal inconveniente es la disposicin del residuoradiactivo que mantiene su toxicidad durante siglos.

En el Ecuador no hay plantas nucleares de generacin ni las habr en el futuro.


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CAPTULO 4: CONTAMINACIN AMBIENTAL

Los mayores cuestionamientos que han recibido los combustibles fsiles se deben a lasemisiones que producen al quemarse y al descuido en su manipulacin. Las emisionesocasionan un grave impacto en el ambiente. Recordemos solamente el dao que ocasionen las islas Galpagos el derrame de 150.000 galones de combustible del buque tanqueJessica en enero del 2001, o el famoso derrame del buque Exxon Valdez en Alaska en1989 donde el derrame de 11 millones de galones implic un gasto de 2.100 millones dedlares para limpiar los daos ocasionados. Esto advirti sobre la falta de previsin y eldesconocimiento sobre las acciones a tomar para reducir al mnimo los impactosocasionados por derrames de combustible en el mar. Igual caso se da en la tierra en lasreas de explotacin petrolera y minera donde los residuos y el material explotado enalgunos casos no es dispuesto en forma adecuada. Tambin la contaminacin se origina enla quema sin control de residuos orgnicos y basura.

Calentamiento GlobalEl principal efecto de la contaminacin que producen los combustibles es el de los gasesemanados en el denominado calentamiento global. La temperatura en la superficie de laTierra viene dada por un equilibrio entre la energa radiante del Sol y el calor reflejado porla Tierra al espacio. Los gases invernaderode la atmsfera absorben el calor en forma deradiacin infrarroja y ejercen un efecto invernadero, lo cual permite mantener latemperatura de la superficie en un promedio de 15 grados centgrados y crear el ambiente

propicio para la existencia de seres humanos, animales, plantas y otras formas de vida. Asha sido desde el inicio de la vida en el planeta, pero la accin del hombre y su desmedidoafn de energa estn ocasionando un desequilibrio en la naturaleza con impactos que ya seestn sintiendo.

La concentracin de CO2en la atmsfera ha crecido desde 280 ppm (partes por milln)antes de la Revolucin Industrial hasta 358 ppm en 1994. De mantenerse esa tendencia,llegara a 500 ppm en el ao 20507. El impacto de las actividades humanas en elcalentamiento global debido a los gases invernadero se da en las siguientes proporciones:dixido de carbono, 63,7%; metano, 19,2%; fluorocarbonos, 10,2%; subxido denitrgeno, 5,7%; y otros, el 1,2% restante. Debido a la mayor concentracin de gasesinvernadero, principalmente CO2, la energa en forma de calor que se refleja al espacio, semantiene durante ms tiempo junto a la superficie de la Tierra, producindose un aumentode la temperatura.

Como podemos observar, el mayor causante del calentamiento global es el dixido de

carbono y el origen de estas emisiones se debe al uso de combustibles fsiles.

Las emisiones de un motor de combustin interna como el usado en los automviles,incluye, adems de CO2y vapor de agua, hidrocarburos, xidos de nitrgeno y monxidode carbono (CO). Estos dos ltimos gases son los que causan daos en la salud yenvenenamiento de las personas. El uso de convertidores catalticos reducesignificativamente el nivel de estos contaminantes. El convertidor cataltico es un tipo de

7What Will Happen to the Earth? What Do We Do for the 21st Century? (Japan Environment Agency)


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filtro que se coloca en el sistema de escape de los automviles y reduce significativamentelos gases venenosos como monxido de carbono y xido nitroso. En las plantas trmicasde generacin elctrica, que queman combustibles fsiles, tambin se producen estosgases, as como compuestos de azufre, causantes de la denominada lluvia cida. Es porello que estas plantas deben contar con equipos y filtros para reducir al mnimo lasemisiones.

Efectos de las Emisiones

Durante los ltimos cien aos, la temperatura de la Tierra se ha incrementado entre0,3oC a 0,6oC. De continuar la tendencia de consumo energtico actual, sin tomar medidasque lo impidan, a fines del Siglo XXI la temperatura aumentara entre 1oC y 3,5oC. En laEdad del Hielo, la temperatura promedio fue solamente entre 3oC y 6oC menor que laactual, lo que nos da una idea de la seriedad que el incremento de temperatura de solo2oC puede ocasionar en el equilibro natural.

Las consecuencias que pueden resultar del calentamiento global son8:

Aumento del nivel del mar debido a la expansin del agua por incremento detemperatura. Un aumento de 2oC significara una variacin entre 15 cm y 95 cm delnivel del mar;

Impacto en el recurso agua y en desastres naturales (inundaciones, sequas);

Impacto en la agricultura (variacin de la produccin en sembros);

Impacto en la salud humana (olas de calor, enfermedades contagiosas, malaria,clera);

Impacto en animales y plantas (relocalizacin de animales hacia zonas del norte,

extincin de ciertas especies); Impacto en las ciudades (aumento de energa para aire acondicionado, olas de

calor en zonas urbanas).

Tomando los datos de consumo total anual de combustibles en el Ecuador, se ha estimadolos niveles de emisin de CO2que se producen en el ao 2001, lo que se muestra en laTabla 4.1:

Tabla 4.1 Clculo de Emisiones de CO2en el Ecuador - Ao 2001Combustible Litro Kg CO2/ litro TOTAL kg CO2Gasolinas 1.924.667.436 2,310 4.445.981.776

Diesel 2 2.696.404.310 2,680 7.226.363.552Fuel Oil 1.594.789.901 3,117 4.970.960.123GLP 1.264.830.657 1,510 1.909.894.292Jet Fuel 253.917.694 2,520 639.872.589Otros 324.310.405 2,933 951.202.417TOTAL 8.058.920.403 kg de CO2 20.144.274.749millones de toneladas de CO2 20,14

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


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Suponiendo que del total de combustible un 15% no se ha consumido, es decir se mantienealmacenado en los vehculos o en tanques, llegamos a determinar que el Ecuador emiti17,12 millones de toneladas de CO2 el ao 2001, valor que coincide con resultadosobtenidos por OLADE.

En el caso especfico de Galpagos, los combustibles son trados desde el continente enbuques y el riesgo de derrame est siempre latente, tanto en el mar como en la tierra. Deall la importancia de sustituir los combustibles fsiles en la generacin de electricidad, enuna primera instancia y, posteriormente, en los vehculos. En el ao 2001 el consumo dediesel para la generacin elctrica en Galpagos fue de 1,4 millones de galones, quecorresponde al 26% del total consumido de diesel. El subsidio por galn de diesel ogasolina en el ao 2001 fue de 0,14 centavos de US dlar, mientras que el subsidio porcilindro de 15 kg de gas licuado de petrleo (GLP) lleg a 1,61 US dlares9.

El uso de energas renovables permite reducir significativamente el impacto de lasemisiones y los costos asociados al subsidio de combustibles, con un beneficio directo alEstado y a la poblacin en general. Las energas renovables sern tratadas en detalle en los

siguientes captulos.

9Informe Galpagos 2001-2002, Fundacin Natura - WWF, pg. 36.


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CAPTULO 5: EL SOL

El Sol siempre ha cautivado el inters de las civilizaciones. Los primeros habitantes de laTierra atribuan al Sol grandes poderes y lo consideraban la principal fuente de vida.Civilizaciones avanzadas de Amrica describan con gran exactitud los movimientos delSol y su importancia para los ciclos de siembra y cosecha, y en la fiesta del Inti Raymi, losIncas ofrecan adoracin al dios Sol.

El inmenso progreso cientfico de los dos ltimos siglos nos ha llevado a confirmar elcriterio de nuestros antepasados sobre la importancia del Sol y sus fenmenos asociadosque son: la radiacin electromagntica y, como parte de ella, la luz, el magnetismo, y laatraccin de la gravedad. Estos aspectos fsicos del Sol se complementan con losfenmenos sociales y squicos y su efecto en la salud, el crecimiento y en el estado denimo de los seres vivos.

Para ilustrar lo anteriormente mencionado, citemos algunos ejemplos:

Si nos encontramos dentro de un vehculo en un da soleado, y ms an en el Ecuadordonde los rayos del Sol caen perpendicularmente, apreciamos en poco tiempo elincremento de la temperatura y podemos de alguna forma medir la energa recibida. Casosimilar ocurre en un invernadero. Los vientos se originan por la diferencia de presindebido al calentamiento solar de las masas de aire en las zonas clidas que ascienden ychocan con el aire fro de las zonas ms altas. Las plantas reciben la radiacin solar y enla fotosntesis producen los azcares para su subsistencia; la energa de los fotones es partevital de esta transformacin qumica que se revierte al alimentarnos, devolvindonos esaenerga. El descubrimiento del efecto fotovoltaico, que veremos ms adelante, transformala energa del fotn al impactar en un material semiconductor en una corriente elctrica.Los combustibles fsiles deben su energa a la que recibieron del Sol en sus aos de vida

como plantas y animales.

Concluimos, entonces, que el Sol es la fuente de energa primaria de nuestro planeta, y loseguir siendo por millones de aos ms. Conviene, por tanto, darle al Sol la importanciaque se merece.

Energa Solar

Para comprender de dnde procede la energa del Sol debemos transportarnos al interior deesta estrella gaseosa de casi 700 mil km de radio. Debido a la inmensa fuerza de gravedady a temperaturas de 16 millones de grados en el interior del Sol, dos tomos de hidrgeno

se fusionan en uno de helio y la diferencia de masa se convierte en energa (recordemosque E = m c2). La temperatura exterior del Sol, que en realidad es la de la fotosfera que esla parte del Sol que vemos desde la Tierra, es de 5.780 grados Kelvin. Cero grados Kelvin(0 K) es la temperatura del cero absoluto, es decir ningn elemento puede ser ms fro queese lmite, y equivale a -273 oC.

La rbita que describe la Tierra alrededor del Sol es una elipse, con el Sol en uno de susvrtices. El 21 de diciembre la Tierra est ms alejada del Sol, mientras el 21 de junio est


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ms cerca. La distancia media entre el Sol y la Tierra es de aproximadamente 150x 106

km, y se llama una unidad astronmica10.

Radiacin Solar

La radiacin que emite un cuerpo en funcin de la temperatura viene dada por la ley deStefan-Boltzman:

4TM = (5.1)Donde:

M = Densidad total de flujo radiante emitida por cuerpo en W/m2

= Constante de Stefan-Boltzman = 5,67 x 10-8[W m-2K-4]T = Temperatura del cuerpo en K

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

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

2. Viento solar,compuesto de partculas atmicas energizadas: neutrinos y protones.La atmsfera de la Tierra es una capa protectora de esta radiacin y del vientosolar. La disminucin en la capa de ozono de la Tierra reduce el grado de

proteccin contra la radiacin, especialmente de los rayos ultravioleta.

Ejercicio 5.1: Calcularla radiacin del Sol que llega a 1 m2de la Tierra.

Datos: Radio del Sol= rs= 695.500 kmDistancia media Sol-Tierra = rst= 149,6 x 106km

Temperatura en la superficie del Sol = 5780 K

Solucin:

Calculemos la radiacin emitida por el Sol usando la ley de Stefan-Boltzman

Msol = 5,67x10-8 [W m-2oK-4] x (5.780)4[K4] = 63 284 071 [W m-2] = 63,28 [MW

m-2]

Como la cantidad total de radiacin en

la superficie del Sol debe ser igual a laradiacin en la rbita de la Tierra (laenerga no se destruye), entonces

Msolx Asol=Mtierrax Asol-tierra(1)

Como Asol = rs2 y Asol-tierra = rst2podemos reemplazar en (1) y tenemos:

10Exactamente, la distancia media entre el Sol y la Tierra es de 149 597 870 km

rstrs

TierraSol


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Msol x rs2 = Mtierra x rst2, suprimiendo en ambos lados de la ecuacin ydespejando para Mtierratenemos:

Mtierra= Msolx (rs2/ rst

2)

Reemplazando valores:

Mtierra= 63,28 [MW m-2] x ((695,5 x 106)2[m2] / (149,6 x 109)2[m2]))=

Mtierra = 63,28 [MW m-2] x (1 / 46266) = 1,367x10-3[MW m-2] = 1367 [W m-2]

Este valor se conoce como la constante solary se usa en clculos de radiacin solar parasistemas fotovoltaicos y termo solares.

Para medir la radiacin solar se dispone principalmente de dos tipos de medidores:

1. El piranmetro, que mide la radiacin hemisfrica en un plano y consiste de unaserie de termocuplas que es una unin de dos placas metlicas de diferente material

y conductividad trmica. El cambio en temperatura en estas placas metlicasproduce un cambio de voltaje que es proporcional a la radiacin. Para su lectura,debe conectarse una resistencia en paralelo (shunt) y hay que tomar en cuenta elvalor de ajuste por voltaje, propio de cada piranmetro. La ventaja del piranmetroes que permite medir tanto la radiacin directa como la reflejada.

2. La celda fotoelctrica con compensacin por temperatura, la cual genera unacorriente elctrica. La precisin de este medidor es mucho menor que la del

piranmetro y solo mide la radiacin global.

El Espectro Electromagntico

En el caso de las energas renovables, nuestro inters se centra en aprovechar la energaque nos llega del Sol en forma de radiacin electromagntica. La radiacinelectromagntica puede ser descrita como un flujo de fotones, que son partculas sin masa,que se desplazan en forma de ondasa la velocidad de la luz y transportan la energa de un

punto a otro. Cada fotn contiene una cantidad fija de energa (o paquete de energa);dependiendo de la energa de un fotn podemos ir desde las ondas de radio, que son las demenor energa hasta los rayos gamma. Los fotones con mayor energa tienen una menorlongitud de onda, que es igual a decir que tienen una mayor frecuencia. Veamos algunos

de estos conceptos:

La Fig. 5.1 muestra dos ondas, que son

como las olas que se forman en unestanque al lanzar una piedra, o comolas olas del mar. El agua es ms alta enunos sitios que en otros. Mientras en laonda (a) tenemos dos picos, en la onda(b) hay cuatro a igual distancia. Elciclo de la onda es el recorrido de un

pico (o valle) al siguiente. La onda (b)recorre cuatro ciclos mientras que la(a) recorre dos. Decimos que laFig. 5.1 Longitud de onda


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La luz es solo una pequea parte del espectro electromagntico y va desde los 400 a los700 nm. El color de la luz depende de su longitudde onda, desde el rojo hasta el violeta.

Fue Sir Isaac Newton quien descubri en 1666que la luz del Sol es una mezcla de diferentespartculas de colores y lo denomin el espectro(del ingls ghost, fantasma). Cada elementotiene sus propias lneas espectralesy es as como

podemos saber solo con la luz de las estrellas o deun cuerpo los elementos que las componen. Lasradiaciones emitidas por los cuerpos calientes

tienen una longitud de onda cercana al color rojo. Los fotones que emiten una radiacin decolor azul tienen ms energa que aquellos de color rojo.

La luz, tanto la natural que nos viene del Sol, como aquellas artificiales con focos

incandescentes, fluorescentes, de descarga, o los ltimos con elementos semiconductores(LEDs) son un flujo de fotones de diversas longitudes de onda que se ubican en el espectrode la luz visible, y por ende sensibles al ojo humano.

Habamos visto que la energa radiante de un cuerpo depende de su temperatura Ty ahorasabemos que tambin depende de la longitud de onda de los fotones de esa radiacin a lolargo de todo el espectro electromagntico. Estos conceptos se unifican en la denominadaLey de Planck, que determina la energa radiante de un cuerpo en funcin de T y .

Cuando un cuerpo emitetoda su radiacin y almismo tiempo absorbetoda la radiacin de losdems cuerpos, decimosque se trata de uncuerpo negro. El Sol

puede considerarse comoun cuerpo negro. Lacurva de la Fig. 5.3muestra la energaradiante del Sol (o sudistribucin espectral) enel exterior de la atmsfera

de la Tierra y en lasuperficie de la Tierra enfuncin de la longitud deonda. Este grficocorresponde a latemperatura del Sol de5800 K. Aqu se observalo siguiente:

Fig. 5.2 Espectro de la luz

UV visible infrarrojo

Fig. 5.3 Espectro solar en el exterior de la atmsfera yen la superficie de la Tierra comparado con laradiacin de un cuerpo negro de T = 5780 K.

Absorbido y esparcido porla atmsfera

Espectro al exterior de l a atmsfera

Espectro de un cuerpo negro T = 5780K

Espectro tpico en la superficie almedioda durante un cielo claro

E


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1) La radiacin que llega a la Tierra es menor que la que incide sobre la parte exterior dela atmsfera. Por tanto, hay una prdida de energa.

2) La parte de la luz visible del espectro tiene la mayor energa.3) Las radiaciones de mayor longitud de onda (menor frecuencia) se ubican en la zona

infrarroja y son absorbidas en su mayor parte en la atmsfera. Son estos fotones losque al impactar con el aire de la atmsfera producen el calentamiento de nuestro

planeta.4) Ciertas frecuencias son absorbidas en la atmsfera ms que otras.

La radiacin solar, a su paso por la atmsfera, sufre algunos procesos de extincin: serefleja en las nubes y vuelve al espacio; es esparcida y cambia de direccin; se absorbe porel vapor de agua y los aerosoles; llega directamente sin afectarse; se difunde -

particularmente los fotones de alta energa y por eso el cielo se ve azul; o se refleja en elsuelo. Es importante anotar que se conoce como radiacin solar global o totala la sumade los componentes de radiacin directa ms la difusa ms la reflejada en el suelo.

El espesor de la atmsfera determinaigualmente cunta energa se pierdehasta llegar a la superficie de laTierra. La masa de aire (abreviadaAM por sus siglas en ingls airmass) es la distancia entre el suelo,usualmente al nivel del mar y la parteexterior de la atmsfera. En elespacio exterior la masa de aire escero AM0. Un rayo de sol

perpendicular al suelo tiene unaAM1, es decir una atmsfera dedistancia. Esto no es lo comn, puesdependiendo de la posicin del Soldurante el da o el ao, esta masa seincrementa y la radiacin debe

Fig. 5.4 Componentes de la radiacin solar

AM1 Atmsfera

tierra

Espacio exterior AM0A B

C

17H00 12H00 : DaDiciembre Abril : Mes

AM>1

Fig. 5.5 Variacin anual y diaria de la masa de aire


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recorrer una mayor distancia hasta el suelo.

Mientras el ngulo ACB aumenta, la AM tambin aumenta. Este ngulo de inclinacinvara entre 0 y 90 grados. Cuando el Sol est en el Cenit, es decir perpendicular a la tierra(al medioda), el ngulo es cero y la AM=1; y, cuando el Sol se oculta este ngulo, seacerca a 90oy la AM=36,5.

Las condiciones estndar de prueba (STC) para productos y equipos que utilizan laenerga del Sol (por ejemplo, paneles fotovoltaicos, colectores termo solares) asumen laAM = 1,5; es decir, el Sol tiene una inclinacin de 28,2 grados respecto de la vertical, unatemperatura de 25oC, una radiacin de 1000 W/m2 y una velocidad del viento de 1m/s. Si bien la radiacin que llega a la tierra es menor que la que llega a la parteextraterrestre de la atmsfera, sta acta como un filtro de los rayos de alta energa (rayosgamma, rayos x, rayos ultravioleta), que destruiran la vida existente.

Algunos fabricantes definen las condiciones normales de operacin, ms reales que lasSTC y son: AM=1,5, radiacin 800 W/m2, temperatura 20C, y velocidad del viento 1 m/s.

Radiacin Solar en el Ecuador

Los datos de radiacin solar para algunas ciudades del Ecuador se muestran en las tablas5.2 y 5.3. Estos han sido tomados de la base de datos de la NASA 11. Los datos que

presentamos nos dan una indicacin global de la radiacin. Se proporciona tanto losniveles de radiacin diaria promedio para cada mes y el dato de ndice de claridad(clearness index) que es muy til para calcular las componentes directa y difusa de laradiacin. El trmino insolacin empleado aqu es equivalente al de radiacin solaraunque por lo general se trata solamente de radiacin solar directa.

Adems de los datos disponibles, en caso de disear sistemas para uso de la energa solarcon paneles fotovoltaicos y colectores, se recomienda tomar lecturas del sitio durante almenos un ao y hacer una correlacin con datos histricos a fin de garantizar unalocalizacin y funcionamiento adecuados.

Tabla 5.2 Insolacin Promedio 10 Aos en el Ecuador en [kWh m-2da-1]INSOLACIN PROMEDIO 10 AOS EN kWh m-2da-1Sitio: Latitud (Sur)/Longitud (Oeste)

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Cotopaxi:-1/79 3.73 3.98 4.05 3.88 3.74 3.47 3.71 3.97 3.98 3.77 3.88 3.79Cuenca-Loja:-3/79 3.76 3.99 3.98 3.87 3.84 3.53 3.79 4.17 4.29 4.08 4.26 4.05Esmeraldas:0/80 4.05 4.42 4.71 4.51 4.17 3.79 3.75 3.90 3.96 3.88 3.93 3.97Guayaquil: -3/80 4.34 4.58 4.66 4.55 4.37 3.85 3.96 4.30 4.53 4.37 4.62 4.53

Ibarra-Tulcn:0/79 3.73 4.01 4.17 3.95 3.75 3.56 3.85 4.01 3.95 3.79 3.81 3.73Islas Galpagos:-1/91 6.25 6.56 6.78 6.49 6.03 5.56 4.92 5.19 5.28 5.49 5.46 6.01Manab:-2/81 5.05 5.22 5.51 5.45 5.00 4.01 3.84 4.15 4.42 4.26 4.54 4.91Napo: -2/77 4.45 4.36 4.33 4.04 4.11 3.74 4.01 4.55 4.82 4.59 4.47 4.67Quevedo: -1/80 4.15 4.44 4.63 4.50 4.21 3.68 3.68 3.92 4.01 3.86 4.01 4.09

11NASA, http://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/. Otro sitio es el de la Universidad de Massachusetts coninformacin ms exacta http://energy.caeds.eng.uml.edu/academic.shtml. La informacin del INAMHI debeser convertida de brillo solar a radiacin.


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Quito:-1/79 3.73 3.98 4.05 3.88 3.74 3.47 3.71 3.97 3.98 3.77 3.88 3.79Riobamba: -2/79 3.74 3.97 3.96 3.83 3.76 3.43 3.63 3.98 4.05 3.82 3.99 3.87Santa Elena: -3/81 5.25 5.43 5.62 5.51 5.13 4.32 4.25 4.59 4.97 4.84 5.13 5.28

Tabla 5.3 ndice de Claridad Promedio 10 Aos en el EcuadorNDICE DE CLARIDAD PROMEDIO 10 AOS (0 A 1.0)Sitio: Latitud/Longitud Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicCotopaxi:-1/-79 0.37 0.38 0.39 0.38 0.39 0.38 0.40 0.40 0.39 0.36 0.38 0.38Cuenca-Loja:-3/-79 0.36 0.38 0.38 0.39 0.41 0.39 0.41 0.43 0.42 0.39 0.41 0.40Esmeraldas:0/-80 0.40 0.43 0.45 0.44 0.43 0.41 0.40 0.39 0.38 0.38 0.39 0.40Guayaquil: -3/-80 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.43 0.43 0.44 0.44 0.42 0.45 0.44Ibarra-Tulcn:0/-79 0.37 0.39 0.40 0.39 0.39 0.38 0.41 0.41 0.38 0.37 0.38 0.38Islas Galpagos:-1/-91 0.62 0.63 0.65 0.64 0.63 0.60 0.53 0.53 0.51 0.53 0.54 0.60Manab:-2/-81 0.50 0.50 0.52 0.54 0.53 0.44 0.41 0.42 0.43 0.41 0.44 0.49Napo: -2/-77 0.44 0.42 0.41 0.40 0.43 0.41 0.43 0.47 0.47 0.44 0.44 0.46Quevedo: -1/-80 0.41 0.43 0.44 0.44 0.44 0.40 0.39 0.40 0.39 0.37 0.40 0.41Quito:-1/-79 0.37 0.38 0.39 0.38 0.39 0.38 0.40 0.40 0.39 0.36 0.38 0.38Riobamba: -2/-79 0.37 0.38 0.38 0.38 0.40 0.38 0.39 0.41 0.39 0.37 0.39 0.38Santa Elena: -3/-81 0.51 0.51 0.53 0.55 0.55 0.48 0.46 0.47 0.49 0.46 0.50 0.52

Aplicaciones de la Energa Solar

El desarrollo tecnolgico actual permite aprovechar la energa del Sol para los usos msdiversos. Las aplicaciones pueden ser agrupadas en:

En los captulos siguientes revisaremos las ms importantes aplicaciones de la energa

solar en diversas reas.

ELECTRICIDAD

CALOR

BIOMASA

Efecto fotovotaicoConcentradores solares

Colectores termo solares residencialesSecadores solaresConstruccin solar pasivaDesinfeccin de aguaDesalinizacin de agua

FotosntesisBiocombustiblesBiogsCompost y fertilizantes


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Los materiales conductores tienen facilidad para liberar electrones, pues en la ltimarbita tienen un solo electrn (el electrn de valencia) y al estar ms alejado del ncleo lafuerza de atraccin es mnima. Los elementos conductores son los metales como el oro, la

plata, el cobre o el aluminio. En estos las bandas de conduccin y de valencia estn muyjuntas, haciendo posible que fotones o alguna excitacin de otro tipo como un campoelctrico, un campo magntico o el calor, generen electrones fcilmente. El gap o brecha

de energa en estos materiales es cero o mucho menor que 1 eV, como se muestra en laFig. 6.1.

Otros elementos se conocen como aislantes, esdecir que no tienen electrones de valencia. Unmaterial aislante, por ejemplo, es la cermica yaque no permite la circulacin de una corrienteelctrica. En un material aislante la franja entrelas bandas de conduccin y de valencia es muygrande y no hay fotones con la suficienteenerga para cargar a un electrn para quesalte. La brecha de energa en los aislantes est

cercana a los 5eV.

Hay elementos que permiten la circulacin de corriente elctrica en determinadascondiciones y se llaman semiconductores. Los elementos semiconductores son cristales

como el Silicio, el Germanio, o el Arsenuro deGalio, que se utilizan en la fabricacin deelementos electrnicos como los circuitosintegrados, el transistor o el diodo. La celda solares un tipo de diodo fabricado con materialessemiconductores. En los semiconductores tpicoscomo el Silicio, la brecha de energa es de 1,11 eV.

Efecto Fotoelctrico

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

Funcionamiento de la Celda Solar

El tomo de silicio tiene un nmero atmico 14. Es decir, tiene 14 electrones y 14protones, con sus dos primeras capas orbitales llenas (2 y 8 electrones respectivamente).La tercera capa orbital puede tener hasta 8 electrones pero el silicio solo ocupa cuatro,quedando cuatro huecos libres. En un cristal de silicio los tomos enlazan suselectrones con los huecos del tomo contiguo formando una unin muy slida entre s. Un

Ev

Ec

Eg1 eV

Fig. 6.3 Materiales semiconductores

Ev

Eg5 eV

Ec

Fig. 6.2 Materiales aislantes


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valencia, con un potencial positivo (de Efo-n a Ef). Se ha formado en la unin unadiferencia de potencial o campo elctrico entre los dos materiales. El nivel de energa(o voltaje) en la zona prohibida Eg se reduce por los voltajes Vn y Vp. Para el caso de unaunin n-p con silicn dopado Vn+Vp 0,3 V, por lo que el voltaje de la unin VB sinaplicar una corriente externa es de aproximadamente 0,8 V. Debido a la temperatura, en lazona de intercambio se produce un flujo de electrones desde el material n hacia el p y por

ende una corriente de generacin Ig. Para mantener el equilibrio elctrico en el material,se crea una corriente de recombinacin Irde igual magnitud y sentido opuesto a Ig.

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

La corriente resultante del diodo es ID= Ir Ig

Efecto de la Luz en la Unin n-p

Hasta ahora hemos analizado la unin n-p en la oscuridad, es decir sin el efecto de la luz.Sabemos que la energa de los fotones puede hacer saltar los electrones hacia la banda deconduccin. Como se ha reducido la banda de energa y creado un campo elctrico queatrae a los electrones en la zona de intercambio, al impactar los fotones en los electrones dela zona de intercambio los hace saltar hacia el lado p y se crea una corriente degeneracin por fotones IL que se suma a la corriente de generacin Ig. Se produce un

efecto similar al del diodo con un voltaje externo hacia delante pero en este caso el voltaje

Voltaje externo hacia delante Voltaje externo hacia atrsVB< V VB> V

+ - IDV

Irp n

Ig

VBIr

p nIg

- + ID=0V

VB

Fig. 6.8 Aplicacin de voltaje externo y efecto en la corriente

n

Ig

ILIr

I

Fig. 6.9 Corrientes actuantes en una celda solar


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externo proviene del Sol: hemos generado as una corriente elctrica en un semiconductorextrnseco.

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

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

1

exp

= TVV

SL III (6.1)

Donde:I = Corriente de la celda solar en el circuito elctrico (que por conveniencia se

toma del polo positivo al negativo,I = -I en Amperios [A].IL= Corriente generada por los fotones en la celda solar en Amperios [A] (foto

corriente).Is = Corriente de saturacin con voltaje externo hacia atrs mximo antes de la

ruptura de avalancha en Amperios [A]. Se conoce tambin como corriente defuga o difusin. En celdas solares Is est en el orden de los 10-8A m-2.

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

viene dado por:

q

kTVT=

(6.2)

Donde:q = carga del electrn = 1,6 x 10-19Coulombios [C]

Coulombio = Julio / Voltio; [C] = [J V-1]

k = constante de Boltzman = 1,38 x 10-23

[J K-1

]T = temperatura absoluta de la celda solar en grados Kelvin [K]

Circuito Equivalente de la Celda Solar

La celda solar real puede ser representada por el siguiente circuito elctrico equivalente,

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

Rs

Rp +V-

IL

ID

I

G

Fig. 6.10 Circuito elctrico equivalente de la celda solar


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p

SDL R

IRVIII

)( = (6.3)

Donde:Rs = Resistencia en serie y representa las prdidas de los contactos superior e inferior

entre la celda y los terminales de corriente. Esta resistencia debe ser lo menorposible.

Rp = Resistencia en paralelo y representa los defectos estructurales al interior de lacelda que producen prdidas. Esta resistencia debe ser lo ms grande posible.

IL= Corriente generada por los fotones en la celda solar en Amperios [A] (fotocorriente).

ID= Corriente del diodo que depende de las caractersticas y calidad de la celda yde la radiacin solar.

V = Voltaje externo de la celda solar.

Curva Corriente-Voltaje de la Celda Solar

El funcionamiento de unacelda solar se puederepresentar por una curva decorriente-voltaje I-V comola de la Fig. 6.11. Cuando lacelda no est conectadatenemos un voltaje encircuito abierto Voc, ycuando la celda est encortocircuito la corriente esIsc. Para un incremento en el

voltaje desde 0 hasta Voc lacorriente es casi constantehasta un voltaje mximo Vmaxy de all descienderpidamente. Como P=V x I, en cualquier punto podemoscalcular la potencia P, lo cual se muestra en la curva de segmentos. Lo que nos interesa esobtener la mxima potencia, es decir cuando el rea del rectngulo V x I es mxima. Elpunto Pmaxse conoce tambin como punto de mxima potencia(MPP).

La calidad de una celda solar se determina por la relacin entre el rea del rectngulo Vocx Isc y el rea del rectngulo Vmax x Imaxy se conoce como factor de cuadratura (fillfactor).

OCSC VI

VIFF maxmax= (6.4)

Ejercicio 6.1:

VVocVmax0

PmaxIsc

Imax

I

P

P

Fig. 6.11 Curva corriente-voltaje y potencia de la celda solar


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Calcular la potencia mxima y el factor de cuadratura de una celda solar de

silicio multicristalino de las siguientes especificaciones: Imax = 3,15 A, Vmax =0,48 V, Isc = 3,35 A, Voc = 0,60 V.

Solucin:

Pmax = (3,15 [A] x 0,48 [V]) = 1,51 [W]FF = ( 1,51 [W]/ (3,35 [A] x 0,60 [V]) = 0,75

Efectos de la Radiacin y la Temperatura

Las grficas de la Fig. 6.12, tomadas de un fabricante13 de paneles fotovoltaicos nosmuestran las curvas I-V para diferentes valores de radiacin solar y temperatura encondiciones estndar de prueba (STC). Como vemos, el voltaje es inversamenteproporcional a la temperatura y la corriente I es proporcional a la radiacin solar G, esdecir que la potencia de este panel se reduce con el incremento de la temperatura y seincrementa con la radiacin. La temperatura es la de la celda y no la del ambiente.

Valores tpicos del cambio de la temperatura () en los diferentes parmetros de una celdasolar son:

Pmax -0,45 % /o

C , Vmax-115 mV /o

C, Isc +2 mA /o

C 0,04% /o

C,Voc -115mV / oC -0,4% / oC

Los paneles pueden llegar a temperaturas superiores a los 75oC, y la prdida de potenciarespecto de las STC (a 25oC) puede llegar hasta un 25% de la potencia nominal. Este es unfactor muy importante a tomar en cuenta en el diseo de sistemas solares fotovoltaicosespecialmente en zonas clidas como el Ecuador.

13Catlogo de KYOCERA modelo KC80, 80 vatios.

Fig. 6.12 Efectos de la variacin de la temperatura y la radiacin en la curva I-V de la celda solar


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La prdida relativa de potencia con el cambio de radiacin de 1000 W/m2a 200 W/m2esdel 10%.

Eficiencia de la Celda Solar

Conocemos que la eficiencia es la relacin entre la potencia de entrada y la potencia (otrabajo) de salida. La eficiencia se puede determinar para una celda o para el mdulofotovoltaico con las ecuaciones siguientes:

CC

MC NAG

P

..= (6.5) y

M

MM AG

P

.= (6.6)

Donde:

C= Eficiencia de una celda de un panel fotovoltaicoPM= Potencia nominal del panel fotovoltaico en Vatios pico [Wp]

G = Radiacin solar en W/m2

AC = rea de la celda en m2

NC = Nmero de celdas en el panelM= Eficiencia del panel fotovoltaico

AM = rea total del mdulo en m2

Ejercicio 6.2

Calcule las eficiencias de un panel fotovoltaico y de una celda de ese panel encondiciones de prueba estndar con los siguientes datos: Potencia pico 100 Wp,largo 1316 mm, ancho 660 mm, profundidad 40 mm, nmero de celdas 72, tamaode cada celda 100 x 100 mm. Encuentre la relacin del AM/AC para todas las

celdas.

Solucin:

Condiciones de prueba estndar (STC) son: G 1000 W/m2, T 25oC, AM 1,5,velocidad del viento 1 m/s2.Eficiencia del panel o mdulo:M = 100 Wp / (1000 W/m2x (1,316 x 0,66) m2)) = 11,51%Eficiencia de la celda:C = 100 Wp / (1000 W/m2x (0,1 x 0,1) m2) x 72) = 13,88%AM/AC= (1,316x0,66) m

2/((0,1 x 0,1) m2 *72) = 120,6%

Como podemos notar, la eficiencia de una celda es obviamente mayor que la delmdulo debido al espacio que hay entre las celdas del mdulo. La relacin de reasmuestra que un 20% del mdulo no est cubierto por celdas.

Conclusiones:

1) Cuando el fabricante proporciona el dato de eficiencia hay que verificar si setrata de C o M en el diseo del sistema fotovoltaico. 2) Podemos ver en elejercicio que la eficiencia de una celda solar no excede el 14% para STC. En


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condiciones normales de funcionamiento esta eficiencia es menor por ladisminucin en la radiacin y por la temperatura.

Tipos de Celdas Solares

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

La celda monocristalina se fabrica de un solo cristalcrecido que va formndose poco a poco hasta formar unbloque. Las celdas son luego cortadas en rodajas delgadasde 250 a 350 m. El lmite de eficiencia de la celdacristalina es de alrededor del 25%. Actualmente este tipode celdas llegan a eficiencias del 15% a 17%. Se lasdiferencia porque tienen un color uniforme ygeneralmente son circulares o cortadas en sus bordes.

La celda policristalina se fabrica con cristal de siliciofundido que se pone en un molde. Es ms barata que la celdamonocristalina, pero su eficiencia lmite es del 20%. Se lareconoce porque su color es irregular y ms claro que lamonocristalina y tiene una forma rectangular sin cortes enlos bordes.

La celda de pelcula delgada o silicn amorfoutiliza unanueva tecnologa que consiste en una pelcula delgada de

cristal de silicio puro sobre un sustrato de vidrio o cermica.Esta capa no supera los 20 m, es decir casi un tercio degrueso que un cabello. El espesor de toda la celda es de 300 a800 m. El substrato tambin puede ser plstico lo cualpermite obtener un panel flexible. Actualmente la eficienciade estas celdas est en alrededor del 10% aunque enlaboratorios se ha logrado llegar a niveles del 19%14. Laventaja de esta tecnologa es que es mucho ms barata quelas celdas cristalinas y en el proceso de fabricacin no seutilizan elementos contaminantes.

Otras tecnologas son las celdas contrachapadas o

multicapa que consisten en poner una capa sobre otra condistintos materiales y diferentes niveles de energa para aprovechar la mayor parte de lasfrecuencias del espectro electromagntico.

Los materiales que se emplean para la fabricacin de celdas solares son principalmente:varios tipos de silicio, arsenuro de galio, cobre indio diselenuro y teluro de cadmio. Su usodepende de la aplicacin a la que estarn destinados y de la fuente de luz. El color azulado

14Fraunhofer Institute

Fig. 6.13 Celda monocristalina

Fig. 6.14 Celda policristalina

Fig. 6.15 Celda de silicioamorfo


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de la celda se debe a la pelcula antireflejo que se coloca para optimizar la absorcin de laluz solar.

Se est investigando tambin en celdas orgnicas, que funcionan como un proceso reversode fotosntesis. La eficiencia en laboratorios ha llegado a 1,5%.

Conexin de Celdas Solares

Un panel fotovoltaico se compone de varias celdas conectadas entre s. Generalmente es elnivel de voltaje el que determina la unin de celdas en serie, hasta llegar a valoresestandarizados de 6V, 12V, 24V, 36V, o 48V. Cada celda tiene 0,5 V. Para un panel de12 V conectamos 24 celdas en serie. La corriente en una conexin en serie es la misma,pues hay un solo camino para el circuito. Para incrementar la corriente debemos hacer unaconexin serie paralelo en un panel, aunque lo que se prefiere es unir varios paneles enparalelo para llegar a la corriente requerida.

Si una celda se daa, o si no incide luz por efecto de una sombra, o si est cubierta, lasdems celdas estn activas y se produce un voltaje alto (negativo) en los terminales de lacelda afectada, lo que se conoce como corriente de fuga o avalanchaque puede destruirla celda. Para evitar esto se utiliza diodos puente (bypass diode) para juegos de algunasceldas y para permitir un paso alternativo de la corriente.

I1

_

I

Mdulo de conexin en serieparalelo de 2 x 12 celdas, panel de 6 V, corriente 7,6 A,potencia 45,6 W. El voltaje es la mitad, la corriente el doble, la potencia es la mismaque la conexin en serie anterior.

I1

I1I1

I=2I1

+V=V1/2

Fi . 6.16 Conexin en serie conexin en aralelo de celdas solares en un anel otovoltaico

I1+V1

_I1

Mdulo de conexin en serie de 24 celdas, panel de 12 V, corriente 3,8 A,potencia 45,6W, I panel = I celda, V panel = suma V celdas

I1


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Sistema Solar Residencial

El panel fotovoltaico en forma aislada tiene algunas restricciones en su uso:

1. Necesita de luz natural o artificial para funcionar, es decir que no sirve en la nocheo en la oscuridad.

2. El voltaje de operacin es bajo y en corriente continua, como el de una pila o unabatera. Esto impide que se pueda conectar artefactos de uso comn oelectrodomsticos que funcionan a 120V y 60 Hz.

3. La potencia es relativamente baja comparada con sistemas de generacinconvencionales.

Para que el panel fotovoltaico pueda funcionar en sistemas residenciales de servicioelctrico necesitamos otros equipos. Un sistema solar residencial (SSR) (Solar HomeSystem SHS) tiene varios componentes.

La Fig. 6.17 muestra los componentes de un sistema solar residencial tpico.

Los paneles se instalan en el nmero y forma de conexin apropiada para proporcionar elvoltaje y la potencia requeridos por el diseo de carga. Usualmente van montados sobre eltecho de una residencia, o en una estructura al tope de un poste. La orientacin de lospanelesdebe hacerse mirando hacia la lnea equinoccial y con un ngulo de inclinacin(tilt angle) para recibir la mayor cantidad de tiempo la radiacin directa del Sol durante lamayor cantidad de tiempo. Se ha determinado que para un panel fijo el ngulo ptimo de

GRUPO ELECTRGENO

Fig. 6.17 Componentes de un sistema solar residencial

INVERSORDC / AC

BANCO DE BATERASARREGLO FOTOVOLTAICO CONTROLADOR

DE CARGA

TABLEROBREAKERS

DC

TABLEROBREAKERS

AC


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inclinacin del panel es igual a la latitud del lugar donde se instala. En el caso delEcuador, al tener una latitud de 0 a 5 grados, la inclinacin del panel debe ser de 5 a 10grados sobre la horizontal para permitir que el agua lluvia fluya sin dificultad y limpie elpanel. Hay sistemas activos de seguimiento del ngulo solar que siguen al Sol en sutrayectoria durante el da y se conocen como rastreadores solares (solar trackingsystems).

Controlador de Carga

Es un dispositivo electrnico que controla permanentemente que la carga del panel solar seencuentre dentro de los lmites tolerables por las bateras y, de acuerdo a ello, desconecta oconecta el panel. Existen controladores que monitorean a cada instante la radiacin solar ypermiten mantener al sistema automticamente en el punto de mxima potencia. Estos sellaman rastreadores de mxima potencia (maximum power point trackers). En ciertoscasos, si las bateras se encuentran cargadas al mximo, el controlador puede enviar elexceso de corriente de un panel FV a la carga. Los controladores disponen de instrumentosde medicin y proteccin.

Banco de Bateras

Son los elementos donde se almacena la energa en forma qumica para su uso posteriorcomo electricidad en corriente continua. Consiste de bateras especiales de ciclo profundode descarga. Se diferencian de las bateras normales de automviles en que no necesitanuna alta corriente instantnea necesaria para arrancar el motor, sino que la descarga decorriente es lenta pero dura ms tiempo. Las placas son ms gruesas y de menor rea. Sefabrican tambin en plomo cido pero se prefiere las alcalinas, las de tipo seco o de gel debajo mantenimiento. La duracin de una batera solar es de 5 a 10 aos, dependiendo deltipo. Se debe mantener la temperatura de las bateras dentro de los lmites establecidos porel fabricante ya que si el electrolito (agua destilada con cido sulfrico en bajasproporciones) est muy caliente aparecen burbujas que gasifican el electrolito y reducen lavida de la batera.

Otro aspecto importante de las bateras es el nmero de ciclos de carga-descarga. Unabatera solar puede tener entre 3 a 5 mil ciclos durante su vida. Las bateras normales paraautomviles no cumplen con esto, ya que estn diseadas para usarse en tiempos muycortos durante el arranque, donde se demanda una alta corriente.

Las bateras solares se fabrican en celdas de 2V que se unen en serie para llegar a voltajesde 6V, 12V, 24V y 48V. Para aplicaciones en SSR las bateras normalmente son de 2V.Por ejemplo, los sistemas de aplicaciones especiales como comunicaciones, recreacin o

bombeo de agua utilizan bateras de 24V y 12V. Las bateras se fabrican en capacidadesque van desde decenas a miles de amperios hora [Ah]. El amperio horaes la unidad decapacidad o energa de una batera y nos indica cuntas horas puede la batera proporcionarla corriente nominal. El fabricante indica normalmente los valores de corriente dedescarga para 10 horas y 100 horas. Un factor importante para salvaguardar la vida de labatera es mantener un voltaje de carga constante, usualmente entre 1,85V y 2,4 V para unacelda de 2V. Especial atencin debe tenerse en los siguientes aspectos: a) la corriente decarga de la batera debe ser alrededor del 25% de sus Ah nominales, b) la profundidad dedescarga no menor del 30 a 40% del lmite permitido, y c) la temperatura defuncionamiento de la batera.


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La conexin de bateras en paralelo para obtener una corriente mayor solo se permitecuando las caractersticas de las bateras son exactamente iguales, y se puede evitar lacirculacin de corriente entre las bateras. Cuando se renueva un banco de bateras debencambiarse todas las bateras.

Inversor

Si la carga es de corriente continua, nuestro SSR estara completo con los elementosanteriores (panel, cargador y batera). Sin embargo, esto no es lo comn ya que tenemoselectrodomsticos o equipos que trabajan con corriente alterna. Para convertir la corrientecontinua del banco de bateras en corriente alterna se utiliza un inversor. Este es un equipoelectrnico que va generando una onda sinusoidal similar a la de la corriente alternamediante una serie de rectificadores o diodos.

Grupo Electrgeno o Respaldo de Energa Adicional

En situaciones que no hay Sol, las bateras aportan con la energa para servir a la carga.Usualmente el banco de bateras se dimensiona para atender a la carga por dos o tres dasde falta de energa solar. Si este tiempo es mayor, o si la carga se incrementa, es necesarioincluir en el SSR un sistema de respaldo de energa, para lo cual se usa un grupoelectrgeno a gasolina o diesel. Puede tambin combinarse con energa elica, pero haycasos en que no se presenta viento, por lo que se recomienda la instalacin de gruposelectrgenos. Este grupo entrega la corriente de carga para cargar las bateras, o puedeconectarse directamente a la carga de corriente alterna. Se debe tener especial cuidado enseleccionar un grupo electrgeno que minimice la emisin de gases contaminantes y elnivel de ruido.

Cuando se instala in grupo electrgeno se debe incluir un interruptor de transferencia(manual o automtico) para seleccionar la fuente de generacin, sea a travs del arreglofotovoltaico o del grupo electrgeno.

Centros de Carga o Tableros Elctricos

Los equipos y aparatos elctricos se conectan en circuitos o directamente a un tablero debreakers o centro de carga. Se utilizan dos tableros: uno para las cargas en DC y otro paralas de AC. El dimensionamiento de los breakers depende de la carga del circuito, es decirde su amperaje. Tambin es posible emplear fusibles. Los breakers y fusibles cumplen lafuncin de proteger a los aparatos elctricos de sobrecargas o sobrevoltajes en los circuitosevitando el dao de los aparatos.

Otros Accesorios y Equipos

Para completar el equipamiento de un SSR se debe incluir los siguientes accesorios:

Medidores: instrumentos que miden los parmetros elctricos de consumo (kWh),potencia, voltaje y corriente, para monitorear el funcionamiento del sistema.


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Procedimiento

1. Disponibilidad del recurso1.a.Solar1.b.Econmico1.c.Otros: Ubicacin fsica

2. Datos de radiacin solar2.a.Serie horaria2.b.Promedio anual

3. Estudio de carga3.a.Carga instalada y Demanda elct

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