República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Nacional Bolivariana U.N.E.F.A.N.B. Núcleo: Monagas
METODOS ALTERNATIVOS DE CONVERSION DE ENERGIA
Facilitador: Ing. Gabriel Fajardo
Autor: C.I.: 26.244.131 Br. Aponte Navas, Rick Rodee
OCTUBRE 2018
Métodos alternativos de conversión de energía
Generación termoeléctrica
Energía termoeléctrica Se denomina energía termoeléctrica a la forma de energía que resulta de liberar el agua por medio de un combustible para mover un alternador y producir energía eléctrica. Desde la antigüedad, el ser humano ha necesitado generar energía térmica para cubrir sus necesidades de abrigo, alimentación, iluminación, fabricación de herramientas, y también para resolver todos aquellos problemas que no puede afrontar con el sólo uso de su fuerza física, como accionar medios transparentes, maquinarias, armamento, etc. La energía termoeléctrica puede usar como combustibles productos fósiles como petróleo, carbón o gas natural (ciclo combinado), átomos de uranio, en el caso de la energía nuclear, y energía solar para la generación solar-termoeléctrica.
Energía termosolar La cantidad de radiación solar disponible para convertir en energía útil depende de varios factores: posición del sol en el cielo, condiciones atmosféricas, altura sobre el nivel del mar y la duración del día. Uno de los usos más rentables del sol se da en las plantas termosolares. La energía termosolar, a diferencia de la fotovoltaica
que transforma los rayos directamente del sol en energía eléctrica, conlleva un proceso más complejo. Mediante la radiación solar se calienta un aceite especial de origen sintético hasta alcanzar los 400ºC. Con ese aceite se calienta agua. Esa agua se evapora y pasa a unas turbinas cuyo movimiento produce la energía eléctrica. El proceso, por tanto, es mucho más complicado que el que se produce en las plantas fotovoltaicas. El rendimiento es mayor también. Se trata de unos cilindros parabólicos. En su centro llevan unos tubos receptores de calor HC (por la sigla de “Heat Collection”) por los que circula el aceite. Los rayos del sol sobre el cristal se reflejan al tubo por donde circula el aceite que se calienta. Ese aceite pasa por unos intercambiadores agua-aceite. Con el aceite calientas el agua, la evaporas y el vapor de agua mueve unas turbinas. Ahí es cuando se produce la electricidad.
Central termoeléctrica Una central termoeléctrica o comúnmente llamada Central Térmica, utiliza el calor generado por la combustión de combustibles fósiles como carbón, petróleo o gas natural en una caldera para producir vapor a alta presión que mediante una turbina acoplada a un generador produce energía eléctrica. Una evolución más eficiente de las centrales termoeléctricas son los ciclos combinados que utilizan una turbina de gas para producir electricidad y los gases de escape se utilizan como aporte para precalentar la caldera.
Centrales termoeléctricas de ciclo convencional Se llaman centrales clásicas o de ciclo convencional a aquellas centrales térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo (aceite) o gas natural para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más económicas y rentables, por
lo que su utilización está muy extendida en el mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto medioambiental. Este tipo de centrales eléctricas generan el 16,5% de la energía eléctrica necesaria en España.
Efecto termoeléctrico El efecto termoeléctrico es la conversión directa de la diferencia de temperatura a voltaje eléctrico y viceversa. Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura a cada lado. Por el contrario, cuando se le aplica un voltaje, crea una diferencia de temperatura (conocido como efecto Peltier). A escala atómica (en especial, portadores de carga), un gradiente de temperatura aplicado provoca portadores cargados en el material, si hay electrones o huecos, para difundir desde el lado caliente al lado frío, similar a un gas clásico que se expande cuando se calienta; por consiguiente, la corriente es inducida termalmente. Este efecto se puede usar para generar electricidad, medir temperatura, enfriar objetos, o calentarlos o cocinarlos. Porque la dirección de calentamiento o enfriamiento es determinada por el signo del voltaje aplicado, dispositivos termoeléctricos producen controladores de temperatura muy convenientes. Tradicionalmente, el término efecto termoeléctrico o termoelectricidad abarca tres efectos identificados separadamente, el efecto Seebeck, el ef ecto Peltier, y el efecto Thomson. En muchos libros de texto, el efecto termoeléctrico puede llamarse efe cto Peltier-Seebeck. Esta separación proviene de descubrimientos independientes del físico francés Jean Peltier y del físico estonio-alemán Thomas Johann Seebeck. El efecto Joule, el calor generado cuando se aplica un voltaje a trav és de un material resistivo, es fenómeno relacionado, aunque no se denomine generalmente un efecto termoeléctrico (y se considera usualmente como un mecanismo de pérdida debido a la no idealidad de los dispositivos termoeléctricos). Los efectos Peltier-Seebeck y
Thomson pueden en principio ser termodinámicamente reversibles, mientras que el calentamiento Joule no lo es.
Efecto Seebeck
El resultado de generar tensión (d.d.p. o diferencia de potencia) entre 2 uniones metálicas mantenidas a temperaturas diferentes se conoce como “Efecto de Seebeck”. La cantidad de electricidad producida dependerá de los dos metales elegidos y también de la diferencia de temperatura entre la unión de ambos y los extremos libres. Incluso en el mejor de los casos, la cantidad de electricidad será bastante modesta, sin embargo, estos termopares pueden ser verdaderamente pequeños, por lo que, en poco espacio se pueden disponer muchas de ellas en serie (sumamos tensiones), o en paralelo (sumamos intensidad), o mezcla de ambos (serie y paralelo). De este modo, la cantidad de electricidad generada puede ser significativa. El efecto Seebeck es la conversión de diferencias de temperatura directamente a electricidad. Seebeck descubrió que la aguja de una brújula se desviaba cuando se formaba un circuito cerrado de dos metales unidos en dos lugares con una diferenci a de temperatura entre las uniones. Esto se debe a que los metales responden diferentemente a la diferencia de temperatura, creando una corriente de circuito, que produce un campo magnético. Seebeck, aun así, en ese momento no reconoció allí una corriente eléctrica implicada, así que llamó al fenómeno el efecto termomagnético, pensando que los dos metales quedaban magnéticamente polarizados por el gradiente de temperatura.
El físico Danés Hans Christian Ørsted jugó un papel vital en la explicación y concepción del término “termoelectricidad”. El efecto es que un voltaje, la FEM termoeléctrica, se crea en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Esto ocasiona una corriente continua en los conductores si ellos forman un circuito completo. El voltaje creado es del orden de varios microvoltios por kelvin de diferencia. Una de esas combinaciones, cobre-constantán, tiene un coeficiente Seebeck de 41 microvoltios por kelvin a temperatura ambiente.
Efecto Peltier
Consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos (interface isotérmica) al pasar corriente por ella. Al invertir la corriente, se invierte también el sentido del flujo del calor. Este efecto es reversible e independiente de las dimensiones del conductor. Depende solo del tipo de metal y de la temperatura de la unión. El efecto Peltier es una propiedad termoeléctrica descubierta en 1834 por Jean Peltier, trece años después del descubrimiento del mismo fenómeno, de forma independiente, por Thomas Johann Seebeck. El efecto Peltier hace referencia a la creación de una diferencia de temperatura debida a un voltaje eléctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semiconductores conectados por dos “junturas de Peltier”. La corriente propicia una transferencia de calor de una juntura a la otra: una se enfría en tanto que otra se calienta.
Una manera para entender cómo es que este efecto enfría una juntura es notar que cuando los electrones fluyen de una región de alta densidad a una de baja densidad, se expanden (de la manera en que lo hace un gas i deal) y se enfría la región. Cuando una corriente se hace pasar por el circuito, el calor se genera en la juntura superior (T2) y es absorbido en la juntura inferior (T1). A y B indican los materiales. Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión, que se enfrí a, hasta la otra, que se calienta. El efecto es utilizado para la refrigeración termoeléctrica.
Celda Peltier Una Peltier es una matriz con muchos termopares (celdas) dispuestas en un espacio muy reducido. Los termopares que la conforman no están hechos de simples metales sino con semiconductores. Por lo general dichas celdas están fabricadas con Bismuto para la cara del semiconductor tipo P y Telurio para la cara tipo N. Dichas celdas están dispuestas eléctricamente en serie mediante conductores de cobre. Para aislar los conductores de cobre del disipador se agrega entre ellos una placa de cerámica que funciona como aislante.
Generación termoiónica
La generación termoiónica o emisión termoiónica, conocida anteriormente como efecto Edison es el flujo de partículas cargadas llamadas iones que proviene de una superficie de metal (u óxido de metal) causado por una energía térmica de tipo vibracional que provoca una fuerza electrostática que empuja a los electrones hacia la superficie. La carga de los termiones (que pueden ser positivos o negativos) será la misma a la carga del metal u óxido de metal. El efecto aumenta drásticamente al subir la temperatura (1000 – 3000 K). La rama de la ciencia que estudia este fenómeno es la termoiónica. El fenómeno fue inicialmente reportado en 1873 por Frederick Guthrie en Bretaña. Mientras realizaba experimentos con objetos cargados, Guthrie descubrió que calentando al rojo vivo una esfera de hierro con carga negativa ésta perdía su carga (desprendiendo iones al vacío). También observó que esto no ocurría si la esfera estaba cargada positivamente. Otras investigaciones al respecto fueron realizadas por William Hittorf (1869-1883), Eugen Goldstein (1885) y Elster y Geite l (18821889). El Efecto Edison en un Diodo. Un diodo puede funcionar de dos maneras: en una de ellas hay flujo de electrones, en la otra no. Las flechas representan la corriente del electrón, no la corriente eléctrica. El efecto fue redescubierto por Thomas Edison el 13 de febrero de 1880, mientras trataba de descubrir la razón por la cual se rompían los filamentos y por qué se oscurecía el cristal (la bombilla se ahumaba cerca de uno de los terminales del filamento) de sus lámparas incandescentes. Edison construyó muchas bombillas experimentales, algunas con un filamento adicional y una con una lámina metálica dentro de la lámpara, eléctricamente aislada del filamento. Edison conectó el electrodo adicional al filamento de la lámpara a través de un galvanómetro. Cuando la lámina tenía una carga negativa
superior a la del filamento, no fluía corriente entre el filamento y la misma porque al estar frío emitía muy pocos electrones. Sin embargo, cuando cargó la lámina positivamente, la mayoría de electrones emitidos desde el filamento caliente fueron atraídos hacia ella causando un flujo de corriente estable. Esta forma de fluido eléctrico en un solo sentido fue llamada entonces el efecto Edison (aunque el término se usa en ocasiones para referirse a la emisión termoiónica específicamente).
Generadores magnetohidrodinámicos
Magnetohidrodinámica La magnetohidrodinámica (MHD) es la disciplina académica que estudia la dinámica de fluidos conductores de electricidad en presencia de campos eléctricos y magnéticos. Ejemplos de tales fluidos son los plasmas, los metales líquidos y el agua salada. El término magnetohidrodinámica deriva de magneto-, que significa campo magnético, hidro-, que significa líquido, y dinámica, que significa movimiento. El concepto de magnetohidrodinámica fue utilizado inicialmente en 1942 por Hannes Alfvén,1 trabajo por el cual recibió el Premio Nobel de Física en 1970. La idea de la magnetohidrodinámica es que los campos magnéticos pueden inducir corrientes en un fluido conductor móvil, que crean fuerzas en el fluido, y que también cambia el campo magnético mismo. El sistema de las ecuaciones que describen la magnetohidrodinámica son una combinación de las ecuaciones de Navier-Stokes de dinámica de fluidos y las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo. Estas ecuaciones diferenciales tienen que ser resueltas
simultáneamente,
ya
sea
analíticamente
o
numéricamente.
Como
la
magnetohidrodinámica es una teoría de fluidos, no puede tratar fenómenos cinéticos en los cuales la existencia de partículas discretas sea importante.
Generador magnetohidrodinámico (MHD) Un generador de tipo MHD es una máquina para generar electricidad a partir de energía térmica y cinética. Poseen dos principales diferencias respecto a los generadores tradicionales, en primer lugar, estos operan a altas temperaturas, y por otro lado, no poseen parte móviles. Estos generadores fueron desarrollados con el objetivo de poder aprovechar los desperdicios de calor de otra maquinaria, y finalmente obtener mayor eficiencia de todo el proceso.
Principio de operación Al igual que cualquier otro generador, su principio de operación consiste en desplazar un elemento conductor a través de un campo magnético. El conductor empleado es un plasma (que se obtiene a partir de las altas temperaturas) el cual fluye a través de un campo magnético. Se emplea un venturi para acelerar el flujo de aire (y por el ende la cantidad de corriente generada). Estos generadores tienen una gran eficiencia para máquinas de combustibles fósiles, las cuales desarrollan altas temperaturas, sin embargo, han sido remplazados gradualmente por otras maquinarias de mayor eficiencia como son los generadores de ciclo combinado. Aun así, existe mucha investigación respecto a estas tecnologías ya que se podría aprovechar el magnetismo natural de la tierra y del sol.
Generación fotovoltaica
Energía solar fotovoltaica La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía que produce electricidad de origen renovable, obtenida directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo semiconductor denominado célula fotovoltaica, o bien mediante una deposición de metales sobre un sustrato denominada célula solar de película fina. Este tipo de energía se usa principalmente para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución, aunque también permite alimentar innumerables aplicaciones y aparatos autónomos, así como abastecer refugios de montaña o viviendas aisladas de la red eléctrica. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años. Comenzaron a producirse en masa a partir del año 2000, cuando medioambientalistas alemanes y la organización Eurosolar obtuvo financiación para la creación de diez millones de tejados solares. El efecto fotovoltaico fue reconocido por primer a vez unos diez años antes, en 1839, por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel,2122 pero la primera célula solar no se fabricó hasta 1883. Su creador fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con pan de oro para formar la unión. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia menor del 1 %, pero demostró de forma práctica que, efectivamente, producir electricidad con luz era posible. Los estudios realizados en el siglo XIX por Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla y Heinrich Hertz sobre inducción electromagnética, fuerzas eléctricas y ondas electromagnéticas, y sobre todo los de Albert Einstein en 1905, proporcionaron la base teórica al efecto fotoeléctrico, que es el fundamento de la conversión de energía solar a electricidad.
Principio de funcionamiento Cuando un semiconductor dopado se expone a radiación electromagnética, se desprende del mismo un fotón, que golpea a un electrón y lo arranca, creando un hueco en el átomo. Normalmente, el electrón encuentra rápidamente otro hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, por tanto, se disipa en forma de calor. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila.
Cómo se genera la energía solar fotovoltaica Cuando pensamos en este tipo de energía, una de las primeras imágenes que nos llega es la de una placa solar. Estas placas están formadas por módulos y estos, a su vez, por células fotovoltaicas. Sus células están formadas por una o varias láminas de material semiconductor y recubiertas de un vidrio transparente que deja pasar la radiación solar, minimizando las pérdidas de calor.
Las células solares fotovoltaicas convencionales se fabrican de silicio, el cual las hace bastante eficientes, con rendimientos medios del 14 al 17 %, aunque también son más caras de producir por su alta dependencia en la disponibilidad del silicio. Se han empezado a utilizar otros materiales más baratos, denominándose estas células “de segunda generación”, aunque sus rendimientos son, aproximadamente, del
10
al
12
%.
Para los sistemas de concentración, se usan materiales que forman “multiuniones “, aumentando en gran medida el rendimiento y llegando a valores del 25 al 30 %. Se siguen haciendo investigaciones para reducir los costos de producción y aumentar la versatilidad de los módulos, así como la posibilidad de utilizar materiales más abundantes en el planeta. De esta forma, se puede elegir entre los diferentes tipos de células fotovoltaicas para las características específicas de cada instalación.
El proceso de obtención de energía del sol es sencillo
La luz del Sol, compuesta por fotones, incide en las células fotovoltaic as de la placa, creándose de esta forma, un campo de electricidad entre las capas. Así se genera un circuito eléctrico. Cuanto más intensa sea la luz, mayor será el flujo de electricidad. Además, no es necesario que haya luz directa, ya que en días nublados también funciona.
Las células fotoeléctricas transforman la energía solar en corriente continua, y esta suele transformarse en corriente alterna para poder utilizar los equipos electrónicos que solemos tener en nuestras casas. El dispositivo que se encarga de esta transformación se denomina inversor.
