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TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I 1

-.TEMA 3. ENERGÍAS RENOVABLES.-

A modo de introducción recordamos que las energías renovables son aquellas cuyosrecursos son inagotables. Cada vez son más las formas de aprovechamiento energético de bajoimpacto sobre el ecosistema, pero destacamos por su grado de implantación la hidráulica, solar,eólica, bioenergía, geotérmica y oceánica.

LA CENTRALES HIDROELÉCTRICAS

Una masa de agua situada a determinada altura posee una energía potencial que se transforma enenergía cinética al dejarla caer libremente. Esta energía asociada a corrientes o saltos de agua seconoce con el nombre de energía hidráulica. Las central hidráulicas o hidroeléctricasaprovechan esta energía para obtener electricidad.

Diagrama de transformaciones energéticas:

Los elementos principales que componen la central son:

Presa: el embalse es el lugar donde se almacena el agua y permitecrear un salto. Esto se consigue gracias a la construcción de unapresa. La presa constituye una barrera interpuesta en el cauce de unrío para retener y almacenar su agua, elevando el nivel y regulando elcaudal de salida. Las presas pueden ser de dos tipos:

Energía potencial del agua

Energía cinética del agua

Energía cinética de la turbina

Energía eléctrica del alternador


- Presas de gravedad: el empuje del agua se contrarresta con el peso del muro queforma la presa.

- Presas de bóveda: tienen forma de arco con lo que seconsigue soportar mejor la presión del agua, ya que transmitenla presión a las laderas de las montañas en las que se apoya.

En la pared de la presa se disponen unas aberturas denominadasdesagües a través de las cuales se controla la salida del agua. Losdesagües pueden encontrarse en el fondo de la presa, en la parteintermedia o en la superficie, denominándose en este último casoaliviaderos, pues tienen como función regular el caudal para evitarel desbordamiento del embalse.

Tubería forzada: en la parte inferior de la presa se disponen unas tomas de agua, dotadasde rejillas para filtrar los sólidos que pudiera arrastrar el agua. A través de estas tomas seconduce el agua del embalse hasta unas tuberías que se encargan de conducir el agua hastalas turbinas.

Sala de máquinas: son las instalaciones donde se transforma la energía cinética del agua enenergía eléctrica. Los elementos principales son:

- Turbinas: son los elementos que reciben el empuje del agua y transforman la energía dela misma en energía cinética de rotación. Existen varios tipos de turbinas:

- Turbinas de acción: aprovechan solo la velocidad del agua. La más usada es laturbina Pelton, en la que el agua que empuja las palas, en forma de cuchara, esimpulsada por inyectores que regulan el caudal; se emplean en centrales depequeño caudal y con un gran salto de agua.

- Turbinas de reacción: aprovechan tanto la velocidad como la presión del agua. Las más usadas son la turbina Francis, que se utiliza en saltos y caudales medios, y la turbina Kaplan para saltos pequeños pero con caudal grande. Ambas tienen las palas de la turbina con forma de hélice.

- Alternador: es el elemento que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. El ejede la turbina está solidario con el del alternador, de forma que cuando gira la turbinatambién gira éste, generando la energía eléctrica.


CENTRALES HIDRAÚLICAS DE BOMBEO

Constituyen un tipo particular de centrales hidroeléctricas en las que el embalse a partir del cual segenera el alto de agua recibe el agua por bombeo desde otro embalse inferior. Por ello, además de loselementos convencionales con los quecuenta una central, disponen deequipos de bombeo que elevan elagua hasta el embalse superior.

Por la noche se suele producir másenergía de la que consume, de formaque la energía sobrante se utiliza parabombear el agua al embalse superior.Así, durante el día el aguaalmacenada pueda utilizarse paragenerar electricidad.

ENERGÍA SOLAR.Hay tres tipos de energía

solar: térmica, fotovoltaica y pasiva.Nos centraremos en las dos primeras ya que son con las que podemos obtener electricidad.

LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICALos sistemas de aprovechamiento de energía solar térmica se basan en aprovechar el calor de laradiación solar. Se pueden clasificar en tres grupos:

- de baja temperatura

- de media temperatura

- de alta temperatura

El elemento básico en todos los casos es el colector, que se encarga de captar la radiación solar. Uncolector consiste básicamente en una lámina de material absorbente en contacto con un conjunto detuberías por las que circula un fluido. Al exponerse al Sol la lámina se calienta y transmite el calor alfluido.

a) SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO DE BAJA TEMPERATURA

Se basan en la utilización de colectores planos. Un colector plano se compone de los siguienteselementos:

Cubierta protectora: es una lámina transparente construida de vidrio o plástico que permitela entrada de la radiación solar pero no su salida, creando así un efecto invernadero.

Caja metálica: es la parte del colector encarga de absorber la radiación solar. Sueleconstruirse de materiales metálicos como el cobre o el aluminio, cuya superficie es tratada conpinturas especiales para aumentar su capacidad de absorción.

Tuberías: por las que circula el agua

Aislamiento térmico: se coloca en toda al superficie de la carcasa para evitar pérdidas decalor con el exterior.


El colector se coloca sobre una estructura con laorientación e inclinación adecuadas para que elrendimiento sea el máximo posible. Por ejemplo, en elhemisferio norte los colectores se orientan hacia el sur yla inclinación depende de la latitud del lugar y de laépoca del año, buscando siempre que los rayos solaresincidan lo más perpendicularmente posible sobre elcolector.

La radiación solar recogida por el metal se transmite alagua que circula por las tuberías situadas dentro delcolector, de forma que entra agua fría y sale aguacaliente de hasta 80ºC. El agua caliente puede utilizarsepara uso doméstico y para calefacción.

El desfase entre las horas de recepción de energía solary la demanda hace necesaria la utilización de sistemasde almacenamiento del agua caliente.

En general se cumple para un colector solar que laEnergía calorífica absorbida se rige por la siguienteecuanción: Q = K.S.t con:

K – constante expresada en w/m² característica de cadaplaca.

S -Superficie de la placa expresada en m².

t – tiempo expresado en horas.

b) SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO DE MEDIA TEMPERATURA

Este tipo de sistemas utiliza otro tipo de colectores con el fin deconcentrar la radiación solar para alcanzar temperaturas más altas.Los más utilizados son los colectores parabólicos. Están formadospor espejos con forma de parábola de forma que reflejan la radiaciónque incide sobre ellos y la concentran en el foco de la parábola. Enéste se dispone la tubería por la que circula el fluido a calentar, queen estos casos suelen ser aceites. Las superficies reflectantes sefabrican con vidrio plateado o metales reflectantes como el aluminio.

Como la concentración se consigue al reflejar la radiación que llega directamente del Sol esimprescindible que los colectores dispongan de mecanismos de seguimiento para seguir en todomomento la posición del Sol.

Este tipo de instalaciones pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100ºC y se utilizan ensistemas de calefacción de edificios, plantas desalinizadoras, secaderos y otras aplicacionesindustriales.

c) SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO DE ALTA TEMPERATURA

La energía solar de alta temperatura se utiliza para producir vapor con el fin de generar electricidad.Para ello es necesario una enorme concentración de la radiación solar, lo que se consigue en lasllamadas centrales solares térmicas, cuyo funcionamiento es similar al de las centrales térmicasconvencionales.


Para concentrar la radiación solar se dispone un gran número de espejos parabólicos, llamadosheliostatos, dispuestos de tal forma que concentran la radiación en un solo punto, en el que sedispone la caldera. Los heliostatos deben orientarse de forma automática y sincronizada a media queel Sol va cambiando de posición con el fin de obtener el máximo rendimiento. Este tipo deinstalaciones pueden alcanzar potencias de 5 a 10MW y hoy en día es una tecnología en desarrollopues los rendimientos que se alcanzan son muy bajos.


LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

EL aprovechamiento de este tipo de energía se basa en la aplicación del efecto fotovoltatico. Esteefecto se produce cuando la luz (radiación electromagnética) procedente del Sol incide en un materialsemiconductor. La luz está constituida por unas partículas llamadas fotones que interaccionan con loselectrones del semiconductor cuando inciden sobre éste; los fotones transfieren parte de su energía alos electrones y algunos consiguen liberarse de su unión con sus núcleos atómicos. De esta formaaparecen en el semiconductor electrones libres que dan lugar a una corriente eléctrica.

El efecto fotovoltaico es producido principalmente por la franja del espectro electromagnéticocorrespondiente a la luz visible (500-550nm de longitud de onda) comprendida entre el infrarrojo y elultravioleta. Por tanto, gracias al efecto fotovoltaico la energía luminosa del Sol se transformadirectamente en energía eléctrica.

Energía térmica del vapor

Energía cinética de de la turbina


Energía solar térmica


Los elementos que captan la radiación electromagnéticaprocedente del Sol y generan energía eléctrica son lascélulas fotovoltaicas.

Una célula solar consta de dos capas de materialsemiconductor, uno tipo N y otro tipo P, que forman unaunión PN. La parte superior e inferior se recubren deuna placa metálica que actúan como contactos ypermiten el paso de la corriente al circuito externo. Laparte superior se encuentra dividida en franjas parapermitir el paso de la radiación solar hacia el materialsemiconductor.

El rendimiento de las células solares no es muy alto aunque ha mejorado en los últimos años graciasal desarrollo de nuevos materiales semiconductores (GaAs, InP, etc.); en la actualidad puedenalcanzar rendimientos del 15-25%.

La tensión proporcionada por cada célula es pequeña (del orden de 0,3-0,7V). Por ello se agrupanvarias células formando módulos fotovoltaicos que constituyen el elemento principal de todo elsistema de aprovechamiento de este tipo de energía.

Todas las células del módulo se conectan en serieentre sí de forma que se sumen los voltajesproporcionados por cada una de ellas. Por tanto elvoltaje total que puede proporcionar un módulofotovoltaico depende de su tamaño, es decir, delnúmero de células solares que contenga.

La eficiencia de un módulo fotovoltaico depende devarios factores entre los que destaca el ángulo de incidencia de la radiación solar y la temperatura.Para conseguir un mayor rendimiento la radiación solar debe incidir perpendicularmente a las células.

INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

Una instalación fotovoltaica es un conjunto de sistemas capaces de satisfacer determinadasnecesidades eléctricas a partir de energía luminosa del Sol. Se compone de lo siguientes elementos:

Sistemas de captación: son los módulos fotovoltaicos encargados de transformar laradiación solar en energía eléctrica. Estos módulos se sustentan sobre estructuras metálicasque unen los módulos entre sí y les proporcionan la orientación e inclinación adecuadas.

Estas estructuras suelen fabricarse de aluminio o acero y pueden ser de dos tipos: fijas, en lasque el ángulo de inclinación no varía a lo largo del año, o móviles; en este segundo tipo deestructuras el movimiento puede es ser manual o mecánico. En los manuales se cambia elángulo de inclinación en función de la época del año. En las estructuras automáticas elmovimiento de realiza mediante sistemas de seguimiento que mueven los paneles sobre un ejesiguiendo el movimiento del Sol a lo largo del día.

Sistemas de almacenamiento: almacenan la energía producida para satisfacer la demandaen momentos en los que la producción se paraliza, por ejemplo, durante la noche. Para ello seutilizan acumuladores eléctricos.

Sistemas de regulación: regulan el paso de la corriente eléctrica entre los módulosfotovoltaicos y los acumuladores.

Sistemas de adaptación de corriente: la corriente que generan los módulos fotovoltaicoses corriente continua; pero la mayoría de los aparatos eléctricos funciona con corriente alterna.Por ello es necesario adaptar la corriente generada a las condiciones de demanda. Para ello se


utilizan convertidores que ajustan el voltaje e inversores que la transforman en corrientealterna.

Sistemas eléctricos complementarios: son todos los elementos eléctricos necesarios parael correcto funcionamiento de la instalación, tales como interruptores, tomas de tierra,cableado, etc.

APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

La energía solar fotovoltaica tiene numerosas aplicaciones entre las cuales destacan las siguientes:

- Alimentación de equipos independientes: los sistemas de generación fotovoltaica seutilizan para alimentar equipos en los que los costes de conexión a la red son mayores ose requieren sistemas independientes a salvo de posibles cortes de suministro:señalización aérea, terrestre y marítima (faros, boyas), sistemas de alumbrado público,repetidores de TV, alimentación eléctrica de albergues de montaña, sistemas de bombeode agua, etc.

- Electrificación de viviendas: son sistemas diseñados para satisfacer las necesidadeseléctricas básicas de una vivienda

- Elementos de consumo como calculadoras, relojes, etc.

- Vehículos espaciales como los satélites artificiales, las sondas espaciales o la estaciónespacial.

- Centrales eléctricas, formadas por grandes campos de módulos fotovoltaicos y estándestinadas a producir electricidad que se transmite a la red eléctrica.


Energía eléctrica en la célula solar

Energía solar luminosa


LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica es la energía asociada al viento. Desde la antigüedad se ha usado la energíacinética del viento para obtener fuerza motriz por ejemplo para impulsar los barcos mediante velas opara moler grano con los conocidos molinos de viento.

Actualmente este tipo de energía se aprovecha principalmente para la producción de electricidad. Lasinstalaciones donde se realiza esta transformación son las centrales eólicas. Una central eólica esuna instalación constituida por un conjunto de aerogeneradores distribuidos de tal forma queaprovechen al máximo la fuerza del viento.

EL AEROGENERADOR

Un aerogenerador es una máquina que produce un movimiento de rotación aprovechando la fuerzadel viento. Los aerogeneradores modernos tienen una potencia entre 500 y 1.500 kW.

Se componen de los siguientes elementos:

Rotor: es el elemento que transforma la energía del viento en energía mecánica de rotación. Asu vez el rotor consta de tres partes fundamentales:

- Palas: son los elementos más importantes pues reciben la fuerza del viento y se muevengracias a su diseño aerodinámico. Están fabricadas con resina de poliéster y fibra devidrio. Su tamaño depende de la tecnología empleada y de la velocidad del viento. Porejemplo, en un aerogenerador moderno de 600 kW cada pala mide alrededor de 20metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión


- Eje: transmite el movimiento giratorio de las palas al generador

- Buje: es el elemento que fija las palas al eje

Multiplicador: es un elemento conectado al rotor formado por trenes de engranajes quemultiplica la velocidad de rotación del eje para alcanzar el nº de r.p.m. que necesita elalternador.

Alternador: tiene la función de transformar la energía mecánica en energía eléctrica.

Sistemas de control: se encargan entre otras de las siguientes funciones: orientación delrotor respecto al viento, control de la velocidad del rotor, conexión y desconexión del equipo,etc.

Góndola: es la estructura en la que se resguardan los elementos básicos de transformación deenergía: eje, multiplicador, alternador y sistemas auxiliares. La góndola se compone de un

bastidor que constituye la basesobre la que se montan losmecanismos, y una carcasa queprotege los elementos mecánicos.

Torre: es el elemento de sujeciónde la góndola y el que sitúa el rotora la altura adecuada. La torrepueden ser tubular o de celosía, ydebe ser suficientemente resistentepara aguantar todo el peso y losesfuerzos del viento. Disponen demedios de acceso para que elpersonal de mantenimiento puedaacceder a la góndola.

En función de la posición del eje, los aerogeneradores pueden serde dos tipos:

De eje horizontal: son los que más se utilizan. El rotortiene forma de hélice y va colocado en la parte superior dela torre. Necesitan orientarse en la dirección del viento ypueden disponer de tres, dos o una sola pala.

De eje vertical: el más utilizado es el tipo Darreius.Tienen la ventaja de que se adaptan a cualquier direccióndel viento sin necesidad de dispositivos de orientación,aunque su rendimiento es inferior a los de eje horizontal.

El rendimiento global de los aerogeneradores es de 40%-60% enfunción del tipo de máquina y las condiciones del viento.

DIAGRAMA DE TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS:

Energía cinética del viento

Energía cinética de rotación agua



LA BIOENERGÍA

La bioenergía es la energía que se obtiene a partir de la biomasa. La biomasa se puede definircomo el conjunto de materia orgánica renovable de procedencia vegetal o animal.

TIPOS DE BIOMASA

El conjunto formado por la biomasa está formado por los siguientes elementos:

Residuos forestales: se originan a partir de los tratamientos forestales (consistentes en lapoda de árboles y la limpieza de matorrales en los bosques) y en las industrias forestales(aserraderos, fábricas de corcho, fábricas de papel, etc.)

Residuos agrícolas y ganaderos: restos de vegetales que quedan después de las cosechasy los excedentes de la producción, así como los residuos generados en las granjas (estiércol).

Residuos industriales: procedentes de la industria agroalimentarias.

Cultivos energéticos: este tipo de cultivos no tiene como finalidad la producción dealimentos sino exclusivamente la obtención de energía. Los cultivos energéticos más utilizadosson la caña de azúcar, la remolacha, el jacinto de agua y algunos tipos de algas.

Residuos sólidos urbanos: son los residuos generados en los núcleos urbanos.

TÉCNICAS DE APROVECHAMIENTO

Para la obtención de energía a partir de la biomasa existen varios procesos que se pueden agrupar dela siguiente forma:

Procedimientos térmicos:

Combustión: consiste en la utilización directa como combustible de la biomasa para obtener energía térmica. El calor producido puede utilizarse para producir agua caliente de uso doméstico opara calefacción. En usos industriales se utiliza para generar vapor y electricidad.

- Pirólisis: Consiste en una combustión incompleta en ausencia de oxígeno a temperaturaspróximas a los 500ºC. En estas condiciones se produce una descomposición de la materiaorgánica que da como resultado carbón vegetal y un gas de poco poder calorífico(gasógeno) que puede utilizarse en algunos motores diesel. Si se alcanzan temperaturasde 1000ºC se obtiene un gas de mayor calidad a partir del cual se puede obtenermetanol.

Procedimientos biológicos:

- Fermentación: consiste en la descomposición de la materia orgánica mediante la acciónde bacterias aerobias (en presencia de oxígeno), y tras el proceso se obtiene etanol, quepuede ser utilizado como combustible. Los tipos de biomasa más adecuados para esteprocesos son los ricos en azúcar (remolacha, fruta, caña de azúcar, tubérculos, etc.), yaque es éste el que se transforma en alcohol.

- Digestión: consiste en la descomposición de la materia orgánica mediante la acción debacterias anerobias (en ausencia de oxígeno). El proceso se realiza en unos depósitoscerrados herméticamente denominados digestores en los que se mantienentemperaturas en torno a los 30ºC. El resulatdo es la producción de biogás, formadoprincipalmente por metano. Este tipo de procesos es muy utilizado con residuos agrícolasy ganaderos


LA ENERGÍA GEOTÉRMICA

Se llama energía geotérmica a la energía que se encuentra en el interior de la tierra en forma decalor. El gradiente geotérmico es de aproximadamente 1ºC por cada 33 m de profundidad. Sinembargo, hay zonas de actividad volcánica en las que esta variación de temperatura puede ser muchomayor.

En ocasiones este calor provoca la formación de gases que buscan una salida hacia la superficie. Siestos gases salen al exterior a elevadas temperaturas se forman fumarolas; si alcanzan la superficieen forma de vapor dan lugar a géisers; también pueden emerger como agua caliente que formafuentes termales.

Las formas de aprovechamiento de la energía geotérmica, tanto si sale a la superficie como sipermanece en el interior de la corteza terrestre en forma de yacimientos geotérmicos dependen de latemperatura:

Sistemas de alta temperatura: corresponden a yacimientos cuyas temperaturas sonsuperiores a 150ºC. Se utilizan para obtener energía eléctrica en centrales térmicas. Si elyacimiento tiene vapor éste puede fluir de modo natural o ser forzado a salir medianteperforaciones.Si la roca no contiene agua, se inyecta agua a presión con el fin de generarvapor. Este vapor es conducido hacia las turbinas de la central térmica donde se genera laelectricidad.

Sistemas de baja temperatura: en este caso se tiene temperaturas inferiores a 150ºC. Elcalor se utiliza para obtener agua caliente, calefacción de viviendas, invernaderos, industrias,etc. Al igual que en el caso anterior, en ocasiones es necesario inyectar agua a presión paraextraer el calor del interior de la corteza terrestre.

LA ENERGÍA OCEÁNICA La energía oceánica es aquella que se obtiene del mar, ya se aprovechando su energía cinética,potencial o térmica.

Hay tres formas de aprovechar la energía oceánica para producir electricidad:

energía maremotriz: se basa en aprovechar el desnivel que se produce entre la bajamar(marea baja) y la pleamar (marea alta). Este fenómeno es producido por la atraccióngravitatoria entre la Tierra y la Luna, y puede ser aprovechado para generar electricidad en lascentrales maremotrices. Para que el funcionamiento de estas centrales sea económicamentefactible es necesario que la diferencia de nivel entre marea alta y baja sea considerable (másde 5 m)

El elemento característico de una central maremotriz es la presa, que se construye acotandouna superficie de la costa para retener el agua y controlar el desnivel del mar. La presa cuentacon unos conductos a través de los cuales se controla el paso de agua. Cuando la marea esalta el nivel en la parte exterior de la presa es mayor que el de la parte interior; en esemomento se abren las compuertas de los conductos que comunican ambas partes, de formaque el agua fluirá a través de ellos para igualar los niveles. En estos conductos se sitúan unasturbinas cuyas palas se ven impulsadas por la fuerza del agua, y las hace girar. Estemovimiento se transmite a un alternador que genera la energía eléctrica.

Análogamente, cuando la marea baja, el nivel en la parte exterior de la presa es mayor que elde la parte interior, por lo que se produce un movimiento de agua de dentro afuera que hacegirar las palas de la turbina, esta vez en sentido contrario.

Energía de las olas: se basa en la utilización del movimiento ascendente y descendente delas olas. Sólo es aplicable en zonas donde el desnivel que se produce entre estos movimientos


es muy grande. Actualmente se encuentra en investigación aunque ya funcionan algunosprototipos.

Energía térmica del mar: se basa en aprovechar la diferencia de temperatura existenteentre la superficie del agua y la del fondo marino. Los océanos reciben un flujo de energíasolar medio de 215W/m2 lo que provoca importantes gradientes de temperatura: en la regiónintertropical, la temperatura de la superficie oscila entre los 25 y 30ºC; a partir de los 200 m latemperatura comienza a bajar drásticamente, de forma que a 1000 m de profundidad de solo4ºC. Esta diferencia de temperatura puede utilizarse para generar electricidad mediante unacentral hidrotérmica. Su funcionamiento se basa en aprovechar el calor de la superficie paracalentar un fluido volátil que accione una turbina; posteriormente se enfría dicho fluidoaprovechando el agua fría de las profundidades. Es una tecnología poco desarrollada que seencuentra actualmente en investigación.

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