ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE

ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE
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ENERGÍA SOLAR
•Solar térmica para calentamiento de agua
•Solar térmica para producción eléctrica
•Solar fotovoltaica
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ENERGÍA SOLAR
La energía solar presenta dos características especiales muy importantes que la diferencian de
las fuentes energéticas convencionales: dispersión e intermitencia.
a. Dispersión:
p
En condiciones favorables,, la densidad de la energía
g del sol apenas
p
alcanza 1
kw/m2, un valor muy por debajo del que se requiere para producir trabajo. Esto significa que,
para obtener densidades energéticas elevadas, se necesitan grandes superficies de captación, o
sistemas de concentración de los rayos solares.
b. Intermitencia: La energía solar no es continua, lo cual hace necesarios sistemas de
almacenamiento.
El aprovechamiento de la energía solar se puede llevar a cabo de dos formas: el
aprovechamiento pasivo y el activo.
El aprovechamiento pasivo de la energía solar no requiere ningún dispositivo para captarla. Por
ejemplo, se usa en la arquitectura para sistemas de calefacción
f
ó en climas fríos,
fí
a través
é de
grandes ventanas orientadas hacia donde el sol emite sus rayos durante la mayor parte del día.
Otras aplicaciones comunes son el secado de productos agrícolas.
Si embargo,
Sin
b
ell uso o aprovechamiento
h i t activo
ti ofrece
f
soluciones
l i
más
á interesantes.
i t
t Los
L sistemas
it
activos se basan en la captación de la radiación solar por medio de un elemento denominado
“colector”.
3
ENERGÍA SOLAR
El aprovechamiento
p
térmico de la energía
g solar se divide en tres áreas:
• Aprovechamiento de baja temperatura (menos de 90ºC): aplicado para calentamiento de agua
y preparación de alimentos.
• Aprovechamiento de mediana temperatura (menos de 300ºC): para aplicaciones industriales.
• Aprovechamiento de alta temperatura (hasta 4.000ºC): aplicado para la generación de
electricidad.
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ENERGÍA SOLAR
S l té i
Solar térmica para calentamiento de agua
l t i t d
Las principales aplicaciones de la energía solar
térmica son:
‐ Producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS).
Proporciona porcentajes de cobertura hasta
del 80%. En cantabria lo más habitual son
porcentajes de cobertura del 60‐65%.
‐ Calefacción de baja temperatura Para que la
calefacción sea apoyada por energía solar,
debe ser de baja temperatura como la
calefacción con suelo radiante.
‐ Calentamiento de agua de piscinas. Tanto
cubiertas
bi
como descubiertas.
d
bi
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ENERGÍA SOLAR
C l t Pl
Colector Plano
Sistema Termosifón En el sistema solar forzado sólo
hay que instalar el colector en el
techo y el tanque en un lugar bajo
techo Se denomina forzado
techo.
porque requiere una bomba de
recirculación que transporte el
agua del tanque al colector para
ser calentada y viceversa.
viceversa es más
estético
que
un
sistema
termosifón; pero, requiere más
material y su coste es mayor
Si t
Sistema Forzado
F
d
El sistema termosifón es muy usado en climas
donde no hayy p
peligro
g de congelación.
g
Por su fácil e
independiente funcionamiento (circulación del
agua entre colector y tanque por gravedad). Su
instalación normalmente es sobre el techo y el
tanque
q tiene q
que estar ubicado en una p
posición
superior a la del colector.
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ENERGÍA SOLAR
Sistema Integrado
Dentro de una caja aislada por sus costados, y en su parte
inferior, se instala un cilindro metálico negro que debe
recibir la radiación del sol directa, y la reflejada por los
lados, los cuales cuentan con papel aluminio reflejante. De
esta manera se calienta el agua dentro del recipiente
durante las horas de sol y el cobertor térmico transparente
reduce las pérdidas caloríficas al mínimo durante las horas
sin sol.
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ENERGÍA SOLAR
Secador solar para madera
Deshidratador solar
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ENERGÍA SOLAR
Desventajas de la cocina solar
Se requiere más tiempo para cocinar (generalmente más de 1 hora). Depende de las condiciones del tiempo para poder cocinar. No es posible en invierno con días nublados o con lluvia. Se requiere una temperatura elevada. solo se puede ocupar de día. Ventajas de la cocina solar
Facilidad de uso.
N contaminan.
No
t i
N necesitan
No
it electricidad,
l t i id d nii combustible.
b tibl
Se economiza en cuanto a dinero utilizado en la cocción de
alimentos.
La tecnología y conocimientos necesarios de fabricación es
muy accesible.
ibl
Existe alta disponibilidad de los materiales de fabricación.
Es una buena solución en lugares donde el clima permite su
uso cotidiano.
E un beneficio
Es
b
fi i en países
í
y sitios
iti
d d los
donde
l
recursos
energéticos para cocinar son escasos o de costos demasiado
altos.
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ENERGÍA SOLAR
S l té i
Solar térmica para producción eléctrica
d ió lé t i
Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del
calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se
produce
d
l potencia
la
i necesaria
i para mover un alternador
l
d para generación
ió de
d energía
í eléctrica
lé i como en
una central térmica clásica.
Constructivamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas
elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico.
La captación y concentración de los rayos solares se hacen por medio de espejos con orientación
automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños
de geometría parabólica.
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ENERGÍA SOLAR
La tecnología cilindro‐parabólica basa su funcionamiento en seguimiento solar y en la
concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica
localizados en la línea focal de los cilindros.
En estos tubos, un fluido transmisor de calor, tal como aceite sintético es calentado a
aproximadamente 400 ºC por los rayos solares concentrados. Este aceite es bombeado a
través de una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. El calor
presente en este vapor, se convierte en energía eléctrica en una turbina de vapor
convencional. Ésta es la clave para su entendimiento.
Estas centrales termosolares de colectores cilindro‐parabólicos se emplean a escala industrial
para la generación de energía eléctrica de 10 a 100MW .
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ENERGÍA SOLAR
S l f t
Solar fotovoltaica
lt i
Consiste en el aprovechamiento de la luz del sol para producir de forma directa energía eléctrica. La célula
fotovoltaica es un dispositivo electrónico basado en silicio, que genera una corriente eléctrica de forma
directa al recibir luz, por medio del efecto fotovoltaico.
Las células fotovoltaicas se combinan en serie, dando lugar a los paneles comerciales, los cuales a su vez
pueden combinarse para conseguir las potencias adecuadas a cada necesidad. El rendimiento máximo
obtenido en laboratorio ha superado el 30%,
30% mientras que en paneles comerciales se puede alcanzar un 14%
o 15%
Otro elemento fundamental en la instalación es el inversor, que es el encargado de convertir la corriente
continua de los paneles solares a corriente alterna. Es importante que esta labor se realice sin pérdidas
considerables de potencia.
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ENERGÍA SOLAR
Sistema fotovoltaico:
Un conjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizar cuatro
f
funciones
f d
fundamentales:
l
•Transformar directa y eficientemente la energía solar en energía eléctrica.
•Almacenar
Al
adecuadamente
d
d
t la
l energía
í eléctrica
lé t i generada.
d
•Proveer adecuadamente la energía producida (el consumo) y almacenada.
•Utilizar eficientemente la energía producida y almacenada.
En el mismo orden antes mencionado, los componentes fotovoltaicos encargados de
realizar las funciones respectivas son:
1. El módulo o panel fotovoltaico
2. La batería
3. El regulador de carga
4. El inversor
5. Las cargas de aplicación (el consumo)
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ENERGÍA SOLAR
Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energía contenida en la radiación solar y
la transforma en una corriente eléctrica, basado en el efecto fotovoltaico que produce una
corriente eléctrica cuando la luz incide sobre algunos materiales.
L celdas
Las
ld fotovoltaicas
f
l i
son hechas
h h principalmente
i i l
d un grupo de
de
d minerales
i
l semiconductores,
i d
de los cuales el silicio, es el más usado. El silicio se encuentra abundantemente en todo el
mundo porque es un componente mineral de la arena. Sin embargo, tiene que ser de alta
pureza para lograr el efecto fotovoltaico,
fotovoltaico lo cual encarece el proceso de la producción de las
celdas fotovoltaicas.
Una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 por 10
centímetros y p
produce alrededor de un vatio a p
plena luz del día.
Normalmente las celdas fotovoltaicas son color azul oscuro. La
mayoría de los paneles fotovoltaicos consta de 36 celdas
fotovoltaicas.
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ENERGÍA SOLAR
S l f t
Solar fotovoltaica
lt i
La energía eléctrica generada mediante este sistema puede ser aprovechada de dos formas:
Conexion a red. La energía producida se vierte
a la red, estándo la compañia eléctrica
obligada
g
a comprarla
p
a un p
precio estipulado
p
y
garantizado.
Aislada Para ser consumida en lugares
aislados, donde no existe una red elétrica
convencional yya sea una vivienda aislada,, una
estación repetidora de telecomunicaciones, un
bombeo de agua, una baliza de señalización en
el mar, etc.
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ENERGÍA SOLAR
VENTAJAS:
•Instaladas en tejado no hay
ocupación del territorio.
•Prácticamente
Prácticamente no genera impactos
negativos (no hay ruidos, no afecta a
la fauna, etc.).
•Los p
paneles fotovoltaicos tienen bajo
j
mantenimiento y vida media superior
a 30 años.
DESVENTAJAS:
•Fotovoltaicas: amortización a largo plazo y déficit en la producción de pastillas de silicio
•No
No funciona de noche (solucionado funciona de noche (solucionado
parcialmente en solar térmica)
•Faltan políticas municipales de apoyo a su instalación en edificios
• Los huertos solares ocupan espacio
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ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica tiene una procedencia directa de la energía solar, entre el 1% y 2% de la
energía solar que llega a la Tierra se convierte en energía eólica, una característica
fundamental de ese tipo de energía es su gran aleatoriedad,
aleatoriedad por lo que resulta complicado
estimar la cantidad de energía eólica de la que vamos a disponer en un intervalo
determinado de tiempo, además presenta una gran variación local, superior a la de la
energía solar.
solar
La energía eólica es la energía cinética que posee una masa de aire que se encuentra en movimiento asimismo la energía cinética del viento depende de la densidad del aire, es movimiento, asimismo la energía cinética del viento depende de la densidad
del aire es
decir, de su masa por unidad de volumen, en otras palabras, cuanto "más pesado" sea el aire, más energía recibirá la turbina. Por lo tanto la variable básica de la que debemos partir para estimar el potencial eólico de un determinado emplazamiento es la velocidad de para estimar el potencial eólico de un determinado emplazamiento, es la velocidad
de
viento.
Unidades de medida de la energía
g eólica
la energía eólica se mide en Kilowatios hora (KWh) o Megavatios hora (MWh), junto con
la unidad de tiempo durante la que se ha hecho la medida (hora, día, mes, ...)
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ENERGÍA EÓLICA
Los primeros mecanismos impulsados por el viento fueron molinos de eje vertical, usados para bombeo de agua en China. Los de eje horizontal surgieron en el área de la antigua Persia; por ejemplo, el molino tipo mediterráneo, con su característico rotor a vela, el cual se utilizó para moler granos y bombear agua en todos los territorios de influencia islámica.
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ENERGÍA EÓLICA
Hay tres componentes del viento que determinan la potencia disponible de un sistema de conversión de energía eólica:
1. Velocidad del viento: es un parámetro crítico porque la potencia varía según el cubo de la
velocidad del viento.
viento Además,
Además la velocidad varía directamente con la altitud sobre el suelo,
suelo
por la fricción. Las turbinas eólicas requieren una velocidad de viento mínima para empezar a
generar energía: para pequeñas turbinas, este es, aproximadamente, de 3,5 m/s; para
turbinas grandes, 6 m/s, como mínimo.
2. Características del viento (turbulencia): mientras que los modelos de viento globales ponen
el aire en movimiento y determinan, a grandes rasgos, el recurso del viento en una región,
rasgos
g
topográficos
p g
locales, q
que incluyen
y
formaciones ggeográficas,
g
flora y estructuras
artificiales, pueden mostrar la diferencia entre un recurso eólico utilizable y uno que no lo es.
3. Densidad del aire: temperaturas bajas producen una densidad del aire más alta. Mayor
densidad produce un rendimiento más alto de la potencia de la pala, para una velocidad del
viento dada.
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ENERGÍA EÓLICA
El dispositivo que se utiliza para aprovechar la energía contenida en el viento y
transformarla en eléctrica es la turbina eólica. Una turbina obtiene su potencia de entrada
convirtiendo la energía cinética del viento en un par (fuerza de giro),
giro) el cual actúa sobre las
palas o hélices de su rotor. Para la producción de electricidad la energía rotacional es
convertida en eléctrica por el generador que posee una turbina; en este caso, llamado
aerogenerador.
aerogenerador
Aparte de las características del viento, la cantidad de energía que pueda ser transferida
depende de la eficiencia del sistema y del diámetro del rotor.
•Rotor
•Tren de potencia o conversión mecánica
•Sistema eléctrico
•Chasis
•Sistema de orientación
•Torre
•Sistema de seguridad
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ENERGÍA EÓLICA
Cálculo
Cál
l de
d la
l energía
í eólica
óli
La energía en el viento es cinética. Su valor es el producto de la masa por 1/2 del cuadrado
de la velocidad del viento “V”. La masa contenida en una unidad de volumen [1 m3] de aire
se define como la densidad p [kg/m3] del aire.
aire Entonces,
Entonces la energía cinética por unidad de
volumen (o sea la contenida en una unidad de volumen) es igual a:
El volumen que por segundo pasa a través de un área A [m2] normal a la dirección de la 3/s]. Entonces el flujo de energía por segundo, g
p
j
g p
g
velocidad del viento es igual al producto AV [m
o sea, la potencia a través de un área A es igual a:
VA
A
que p
prestar atención al dato de q
que la p
potencia eólica depende
p
del cubo de la
Hayy q
velocidad del aire. Por lo tanto, la velocidad es el factor más importante a la hora de
calcula la energía eólica.
Cálculo de la densidad del aire
En los sistemas de medición, la densidad del aire juega un papel muy importante. Ésta
presenta grandes variaciones a diferentes alturas y a diferentes temperaturas. La diferencia
de densidad de aire entre ‐10
10 °C
C y +30 °C
C es de 0.177
0 177 kg/m3. La densidad es:
en kg/m3; Presión de aire = p, Constante de los gases R, Temperatura en Kelvin = T
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ENERGÍA EÓLICA
Una turbina eólica nunca va a ser capaz de extraer toda esta energía, por lo que es
interesante disponer de un factor que nos indique la eficiencia de una determinada
máquina. Ese factor es el coeficiente de potencia Cp, que determina el rendimiento
aerodinámico del rotor. Es decir:
En forma teórica se ha obtenido el máximo valor que puede obtener este coeficiente que
se denomina "límite de Betz" y su valor representativo es del orden de 0,5926.
0 5926
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ENERGÍA EÓLICA
VENTAJAS:
•Versatilidad: molinos de unos pocos KW a 5
MW
•Muy rentables
•Ideal:
Id l Explotación
E l t ió municipal
i i l o mancomunall
para el autoconsumo
DESVENTAJAS:
•Ruido
•Ocupación del territorio
•Afección a la avifauna
•Impacto
I
paisajístico
i jí i
•Inestable: depende del viento
• La instalación de grandes parques eólicos
controlados por multinacionales no es la
alternativa
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ENERGÍA EÓLICA
Eólica marinas “off shore”
Eólica
marinas “off shore”
La energía eólica marina tiene muchas similitudes con la energía eólica que se instala en
tierra. Sin embargo, también tiene aspectos diferenciadores que la hacen única. La energía
eólica
óli marina
i permite
it realizar
li
un aprovechamiento
h i t energético
éti de
d los
l mares donde
d d los
l
vientos son más fuertes y constantes.
De todas las energías renovables, la eólica marina reúne la combinación más favorable entre
coste de la energía y riesgo de menor producción de la estimada o cortes en el suministro
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ENERGÍA EÓLICA
El consorcio formado por Iberdrola Renovables y Vattenfall se ha adjudicado en Reino Unido
los derechos de construcción de uno de los mayores parques eólicos del mundo, con una
potencia de hasta 7.200 megavatios (MW).
El futuro parque eólico se ubicará en la costa de East Anglia, en el Mar del Norte, y contará
con entre 1.000 y 2.000 turbinas. Su potencia supera los cálculos iniciales, que cifraban en
5 000 MW la
5.000
l capacidad
id d de
d desarrollo
d
ll de
d la
l zona elegida,
l id con una superficie
fi i de
d 5.878
5 878
kilómetros cuadrados y con escasa profundidad.
Ventajas orográficas
Entre los puntos fuertes de la ubicación,
ubicación Iberdrola destaca sus buenos recursos eólicos,
eólicos las
profundidades inferiores a los 45 metros, la cercanía con varios puertos británicos con
potencial industrial, la posibilidad de acceder a la red eléctrica, la relativa proximidad a la costa
(14 kilómetros en el punto más cercano) y el alto nivel de cualificación de los trabajadores del
proyecto.
El futuro parque 'off shore' superará con creces el tamaño del mayor complejo de eólica
marina actualmente operativo, el de Horns Rev (Dinamarca), de 400 MW, y será siete veces
mayor que el gran proyecto en construcción en el Estuario del Támesis, el London Array, de
1.000 MW.
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ENERGÍA EÓLICA
Barcos arrastrados por cometas
p
Cuando el buque se encuentre en alta mar la propulsión convencional se verá ayudada por una
cometa colocado en un mástil de 15 m. La cometa tiene una superficie de 160 m cuadrados y
un coste de medio millón de euros, incluyendo el sofisticado ordenador encargado de
controlarla. Si es necesario la cometa se puede alejar hasta 300 m sobre el buque para ayudar
a arrastrar las 10.000 toneladas que pesa el “Beluga SkySails”. En condiciones favorables de
viento la cometa puede ahorrar hasta un 20% en el consumo de combustible y reducir en una
5ª parte las emisiones de CO2.
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