UNIDAD 1 La Energa de la que hablamos Descubramos cmo es nuestra relacin con el Sol y cmo podramosdisfrutar ms de su energa CURSO Introduccin a la Energa Solar Fotovoltaica 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 12 Presentacin EstecursoseenmarcaenlosserviciosdelInstitutoNacionaldeTecnologaIndustrial (INTI),organismodelestadonacionalargentinoresponsabledelageneraciny transferencia de tecnologa industrial. Seproponesocializarlosconocimientosdisponiblessobrelastecnologasparael aprovechamientodelaenergasolarfotovoltaicaycontribuirasalaformacinde usuariosdelamisma,apoyandoalavezlatareadeformadores,instaladores, fabricantes y decisores polticos de todo nivel. Paraalgunosestecursopuedeserlaformadeinteriorizarsecomociudadanosenun aporteposiblealasustentabilidadambiental.Paraotrospuedeserelmediopara profundizarysistematizarconocimientossobreuntemavinculadoasutarea profesional actual, o futura y deseada. Quienestenganlainquietuddecapacitarsecomoinstaladoresdesistemas fotovoltaicosencontrarnenestecursoloselementoscentralesyunabaseslida sobreelaprovechamientodeestatecnologa.Sinembargonecesitarndeotros conocimientosyhabilidadescomplementariosquedeberndesarrollarseyadquirirse en otras instancias, si an no se tienen. Esperamosqueentodosloscasosresulteunacontribucinparaelaprovechamiento efectivo y progresivo de energas renovables, asunto ambientalmente apremiante. En este primer mdulo ofreceremos inicialmente una aproximacin al contexto de uso de energas, y luego nos centraremos en los conceptos fsicos bsicos de energa, trabajo, calor y potencia, sin los cuales no podramos avanzar en la materia que nos convoca. 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 13 ndice 1. Vida y energa ............................................................................................................... 4 1.1. Introduccin................................................................................................................ 4 1.2. Qu son las energas renovables ............................................................................... 6 1.3. Energasde fuente hidroelctrica, geotrmica y solar ............................................. 7 2. Conceptos y magnitudes fsicas imprescindibles, sus unidades .................................10 2.1 Energa, trabajo y calor ............................................................................................. 10 2.2 Tipos de energa ........................................................................................................ 11 2.3 Potencia ..................................................................................................................... 11 3. Bibliografa ................................................................................................................... 12 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 14 1. Vida y energa 1.1. Introduccin El uso de la energa es anterior a las primeras civilizaciones conocidas. De hecho, la historiahumanapuedeserinterpretadacomolahistoriadelaproduccinde energayelaprovechamientodesusfuentesproductoras(energahumana, combustin de la lea, animal, viento, hidrulica, fsil, etc.). Elhombrehautilizadolaenergadegrandesmamferosparadesplazarse,para trabajarlatierraosimplementeparaalimentarse.Asimismo,diseobjetos tecnolgicosquelepermitieronusarsupropiaenerga,obtenidaporlaactividad metablicadesuorganismodemaneramseficiente.Enlasprimeras civilizaciones,larueda,lapalancaylapoleafueronobjetostecnolgicosque permitieron ir consolidando un estilo de desarrollo. Noobstanteelenormedesarrollotecnolgicoenlosltimos200aosdela humanidadsehaincrementadodemaneraexponenciallacantidaddeenerga necesaria para mantener las actividades productivas y sociales cotidianas. Tanto es asqueladisponibilidaddeenergasehatrasformadoenunfactorfundamental para el desarrollo y el crecimiento econmico y social de los pases. Pero,tambinsehatransformadoenunfactorquehacontribuidoadegradarlos recursosnaturales,incrementarlacontaminacinambiental,acelerarelcambio climticoglobalycontribuiraexacerbarlosconflictossocioculturalesdela humanidad. Es por esta situacin que corrientes de opinin del mundo abogan por reducirelconsumoderecursosenergticoscontaminantes,degradadosoque generen residuos radioactivos. Al mismo tiempo, se han incorporado en las polticas degeneracindeenergalosconceptosdesustentabilidad,usoeficientey responsable de los recursos energticos. Puedesermuyinteresanteobservarunmomentolacrnicadelaevolucindela matriz energtica en el grfico a continuacin. 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 15 Grfico 1: Evolucin del consumo diario Como podemos apreciar, a travs de la historia, el ser humano ha ido creciendo en dependenciaenergtica.Hoyendaesinimaginablelavidasinprovisinde energa.Iluminacin,calefaccin,refrigeracin,coccindealimentos,transporte, comunicacin,cadapequeapartedenuestromundocotidianoestligadoala energa.Las energas renovables podran solucionar muchos de los problemas ambientales, comoelcambioclimtico,losresiduosradiactivos,laslluviascidasyla contaminacinatmosfrica.Peroparaellohacefaltavoluntadpolticay financiamiento.En2003elconsumomundialdeenergasuperlos10.500millonesdetoneladas equivalentesdepetrleo(Mtep):2.400Mtepdecarbn,3.600Mtepdepetrleo, 2.300 Mtep de gas natural, 610 Mtep de nuclear, 590Mtep de hidroelctrica y cerca de950Mtepdebiomasa,fundamentalmentelea,ycantidadesanpequeasde geotermia, solar y elica.Laproduccin,transformacinyconsumofinaldetalcantidaddeenergaesla causa principal de la degradacin ambiental.Elconsumoestmuydesigualmenterepartido:el15%delapoblacinmundial, consumen el 60% de la energa, factor este ltimo a tener en cuenta a la hora de repartir responsabilidades de la crisis ambiental.Laproduccin,transformacinyusofinaldetalcantidaddeenergaeslacausa principaldeladegradacinambiental,ungraveproblemaderesiduosradiactivos sin resolver, cerca de un millar de embalses que han anegado de forma irreversible 3.000kilmetroscuadrados,ylasemisionesdegasesdeinvernadero,que representan el 77,73% del total. 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 16 Adems se emiten 2,4 millones de toneladas de dixido de azufre y 1,3 millones de toneladas de xidos de nitrgeno.Alritmoactualdeextraccin,lasreservasestimadasdecarbndurarn1.500 aos, las de gas natural 120 y las de petrleo no menos de 60 aos.Lamejoradelastecnologasdeextraccinincrementarladuracindelas reservas,alaccederalaszonasmartimasprofundas.Noexisteunproblemade agotamientodeloscombustiblesfsilesenunhorizonteinmediato,aunqueel consumoactuales100.000vecesmsrpidoquesuvelocidaddeformacin;la verdadera cuestin es la de los sumideros, como la atmsfera, donde se acumula el dixidodecarbonoyotrosgasesdeinvernadero,conelsubsiguiente calentamiento. Los altos precios del petrleo agravan la situacin.La grave crisis ambiental, el agotamiento de los recursos y los desequilibrios entre elNorteyelSur,sonfactoresqueobliganaacometerunanuevapoltica energtica.Acortoplazolaprioridadesincrementarlaeficienciaenergtica,pero sta tiene unos lmites econmicos y termodinmicos, por lo que a ms largo plazo slounreplanteogeneralprofundoyeldesarrollodelasenergasrenovables permitir resolver los grandes retos del futuro. Las energas renovables contribuirn aunasolucinsostenible.Laenerganuclear,defisinofusin,comoalternativa principalprobablementesloagravaralasituacinyconduciraauncaminosin salida, de proliferacin nuclear y generacin de residuos radiactivos. 1.2. Qu son las energas renovables? Bajoladenominacindeenergasrenovables,alternativas,limpiasoblandas,se engloban una serie de fuentes energticas que a veces no son nuevas, como la lea o las centrales hidroelctricas, ni renovables en sentido estricto (geotermia), y que no siemprese utilizan deformablandao descentralizada, y suimpacto ambiental puedellegaraserimportante,comolosembalsesparausoshidroelctricosolos monocultivos de biocombustibles.Actualmente suministran un 20% del consumo mundial (las estadsticas no suelen reflejarsupesoreal),siendosupotencialenorme,aunquedificultadesdetodo orden han retrasado su desarrollo en el pasado.Conlaexcepcindelageotermia,latotalidaddelasenergasrenovalesderivan directa o indirectamente de la energa solar. Directamente en el caso de la luz y el calor producidos por la radiacin solar, e indirectamente en el caso de las energas elica, hidrulica, mareas, olas y biomasa, entre otras.Las energas renovables, a lo largo de la historia y hasta bien entrado el siglo XIX, han cubierto en la prctica la totalidad de las necesidades energticas del hombre. Sloenlosltimoscienaoshansidosuperadas,primeroporelempleodel carbn, y a partir de 1950 por el petrleo y en menor medida por el gas natural.Laenerganuclear,con441centralesnuclearesen2003,conunapotencia instaladade360GW,cubreunaparteinsignificantedelconsumomundial,ya pesar de algunas previsiones optimistas, su papel ser siempre marginal.Anhoy,paramsdedosmilmillonesdepersonasdelospasesdelSur,la principal fuente energtica es la lea, afectada por una autntica crisis energtica, a causa de la deforestacin y del rpido crecimiento demogrfico.La biomasa, y fundamentalmente la lea, suministra un 14% del consumo mundial, cifraqueenlospasesdelSurseelevaal35%globalmente,aunqueenTanzania 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 17 llegaal90%yenIndiasuperael50%;enelpasmsrico,EstadosUnidos, representa el 4% del consumo global, porcentaje superior al de la energa nuclear, en la Unin Europea el 3,7% y en Espaa el 3%. 1.3. Energasde fuente hidroelctrica, geotrmica y solar Paracompletarestaintroduccinveamosunpocomsdecercaestaslasfuentes hidroelctrica, geotrmica y solar. 1.3.1. Hidroelctrica La energa hidroelctrica se genera haciendo pasar una corriente de agua a travs de una turbina. La electricidad generada por una cada de agua depende de la cantidad y de la velocidad del agua que pasa a travs de la turbina, cuya eficiencia puede llegar al 90%.El aprovechamiento elctrico del agua no produce un consumo fsico de sta, pero puede entrar en contradiccin con otros usos agrcolas o de abastecimiento urbano, y sobre todo, las grandes centrales tienen un gran impacto ambiental.Las centrales hidroelctricas en s mismas no son contaminantes; sin embargo, su construccin produce numerosas alteraciones del territorio y de la fauna y flora: dificulta la migracin de peces, la navegacin fluvial y el transporte de elementos nutritivos aguas abajo, provoca una disminucin del caudal del ro, modifica el nivel de las capas freticas, la composicin del agua embalsada y el microclima, y origina el sumergimiento de tierras cultivables y el desplazamiento forzado de los habitantes de las zonas anegadas.En la mayora de los casos es la forma ms barata de producir electricidad, aunque los costes ambientales no han sido seriamente considerados.El potencial elctrico an sin aprovechar es enorme. Apenas se utiliza el 17% del potencial a nivel mundial, con una gran disparidad segn los pases. Los pases del tercer mundo solamente utilizan del 8% de su potencial hidrulico.Desde el punto de vista ambiental, la instalacin de mini centrales hidroelctricas causan menos daos que los grandes proyectos, y podran proporcionar electricidad a amplias zonas que carecen de ella. 1.3.2. GeotrmicaElgradientetrmicoresultantedelasaltastemperaturasdelcentrodelaTierra (superioresalosmilgradoscentgrados),generaunacorrientedecalorhaciala superficie, corriente que es la fuente de la energa geotrmica.Elvalorpromediodelgradientetrmicoesde25gradoscentgradosporcada kilmetro,siendosuperiorenalgunaszonasssmicasovolcnicas.Losflujosy gradientes trmicos anmalos alcanzan valores mximos en zonas que representan en torno a la dcima parte de las tierras emergidas: costa del Pacfico en Amrica, desde Alaskahasta Chile, occidente del Pacfico, desde Nueva ZelandaaJapn, el este de frica y alrededor del Mediterrneo.El potencial geotrmico almacenado en los diez kilmetros exteriores de la corteza terrestre supera en 2.000 veces a las reservas mundiales de carbn. La explotacin comercial de la geotermia, al margen de los tradicionales usos termales, comenz a finales del siglo XIX en Lardarello (Italia), con la produccin de electricidad. 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 18 Hoy son ya 22 los pases que generan electricidad a partir de la geotermia, con una capacidad instalada de unos 8.000 MW, equivalente a ocho centrales nucleares de tamaogrande.EstadosUnidos,Filipinas,Mxico,ItaliayJapn,enesteorden, son los pases con mayor produccin geotrmica.Actualmente,unaprofundidaddeperforacinde3.000metrosconstituyeel mximo econmicamente viable.Unadelaslimitacionesdelageotermiaesquesuaplicacindebedarseenlas proximidadesdelyacimientoenexplotacin.Lageotermiapuedellegaracausar tambin algn deterioro al ambiente, aunque la reinyeccin del agua empleada en la generacin de electricidad minimiza los posibles riesgos.Lospasesconmayoresrecursos,enordendeimportancia,sonChina,Estados Unidos, Canad, Indonesia, Per y Mxico. 1.3.3. Solar LaenergasolarabsorbidaporlaTierraenunaoesequivalentea20vecesla energaalmacenadaentodaslasreservasdecombustiblesfsilesenelmundoy diez mil veces superior al consumo actual.ElsoleslanicafuentedemateriaorgnicaydeenergavitaldelaTierra,y aunque a veces nos pasa desapercibido, ya hoy estamos utilizando masivamente la energasolar,enformadealimentos,leaoenergahidroelctrica.Losmismos combustibles fsiles, cuya quema est en el origen del deterioro ambiental, no son otra cosa que energa solar almacenada a lo largo de millones de aos.Lafotosntesiseshoyelempleomsimportantedelaenergasolar,ylanica fuente de materia orgnica, es decir, de alimentos y biomasa.Aunque todas las fuentes energticas, salvo la geotermia y la nuclear, proceden del sol, en la acepcin actual el trmino solar tiene un significado restringido al empleo directo de la energa del sol, ya sea en forma de calor o de luz.Elsolsaleparatodoscadadayseguirenvindonosasombrosascantidadesde calor y de energa, ajeno al aprovechamiento que podamos hacer de ella.Sumayorvirtudtambinsumayordefecto,altratarsedeunaformadeenerga difusa y poco concentrada, y de ah las dificultades que entraa el aprovechamiento directo de laradiacin solar, en unasociedad en la que el consumo de energase concentra en unas pocas fbricas industriales y grandes metrpolis.La distribucin de la radiacin solar registra grandes variaciones geogrficas.Igualmenteimportantessonlasvariacionesdiariasyestacionalesdelaradiacin solar, y sus dos componentes, la radiacin directa y la difusa. La radiacin directa eslarecibidadelsolcuandoelcieloestdespejado,yladifusalaqueresultade reflejarse en la atmsfera y las nubes. Algunos equipos utilizan ambas, y otros slo la directa, como es el caso de las centrales de torre.Elaprovechamientodelaenergasolarpuedeserindirecto,atravsdelviento (elica)ylaevaporacindelagua(hidrulica),entreotrasformas,odirecto, mediantelacaptacintrmicaactivaopasivaymercedalacaptacinfotnica. Ejemplodeestaltimaeslacaptacinfotoqumicaquerealizanlasplantas,yel efecto fotoelctrico, origen de las actuales clulas fotovoltaicas.Impactosnegativossepodrandarenelcasohipotticodegrandescentrales solares en el espacio, y en menor medida en las centrales de torre central, debido 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 19 al empleo en stas de sustancias potencialmente contaminantes, utilizadas parala acumulacin y transmisin del calor. Otro posible efecto es la competencia posible por el uso del territorio, debido a las grandes superficies requeridas. Msadelanteenestecursoampliaremosmuchomslosconceptosreferidosa energa solar. En la seccin Documentos puede consultarse material del INTI sobre eficiencia energtica, el cual sirvi en parte de base para lo expuesto sintticamente aqu. 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 110 2. Conceptos y magnitudes fsicas imprescindibles. Sus unidades. Alosefectosdepoderavanzarenlacomprensindelosfenmenosde aprovechamiento de la energa solar resulta imprescindible detenernos a precisar los conceptos fsicos que siguen. 2.1. Energa, trabajo y calor Llamamos energa a la capacidad de realizar un trabajo o generar calor. La energa de un cuerpo es la magnitud fsica que se manifiesta entonces al realizar un trabajo o generar calor. Si bien cada trmino encierra una particularidad, energa, trabajo y calor refieren a la misma magnitud y por eso comparten la unidad de medida: el Julio.En el Sistema Internacional de Unidades (S.I) la unidad recibe este nombre en honor del fsico ingls James Prescott Joule (1818-1889), quien estableci la equivalencia entre energa y calor. Hablamos de trabajo como el esfuerzo realizado para trasladar una fuerza. O bien, el esfuerzo que realiza una fuerza al recorrer un espacio, lo cual sera lo mismo. Por ejemplo, el esfuerzo que realizamos al levantar una bolsa desde el piso hasta la cintura, es un trabajo equivalente al peso de la misma por la altura a la que se elev.As el trabajo (T) puede expresarse en trminos de fuerza (Newton (N) en el S.I.) por espacio recorrido (en metros (m) en el S.I.). T= N . m = Julio Dicho en relacin a la energa, el trabajo es la transferencia de energa de un cuerpo a otro mediante la aplicacin de una fuerza que produce un desplazamiento. El trabajo se manifiesta de esta manera por un movimiento. En el ejemplo anterior, la bolsa elevada tiene mayor energa que cuando estaba en el piso. Ha ganado tanta energa como trabajo ha realizado la fuerza para elevarla. Siguiendo la equivalencia, si la fuerza fuera de 1N y el recorrido de 1m, tendramos que el trabajo realizado (T) sera: T=1 N . 1m = 1 Julio O bien, que la energa (E) empleada en este trabajo sera: E= 1 Julio. El calor es la manifestacin de la energa asociada al movimiento de las partculas en la materia: tomos, molculas, iones, electrones. El calor se transfiere entre cuerpos que 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 111 seencuentranadiferentetemperaturamediantelosfenmenosdeconduccin, conveccin y radiacin. EnelS.I.laenergacontenidaenformadecalortieneunaunidadpropiaqueesla calora (cal) y su equivalencia con el Julio es: 1 cal = 4,18 J . 2.2. Tipos de energa Comovimos,laenergaesunapropiedaddeloscuerpos.Todosposeenenergade alguna forma segn el estado en el que se encuentran. Los cuerpos en movimiento poseenenerga cintica. La cantidad de energa est en funcin de su masa y de la velocidad a la que se mueven. El viento es una gran masa de aire a cierta velocidad. Su energa puede ser captada por los molinos. Los cuerpos que se encuentran en una posicin elevadacontienen energa potencial (gravitatoria).Elaguadelosrosvaperdiendo(oentregando)energaamedidaque baja en su cauce. Los embalses y usinas pueden aprovechar esta energa. Las reacciones que se producen entre las partculas elementales y ncleos atmicos generan la que llamamos energa nuclear. La combinacin de un campo elctrico y un campo magntico generan una zona de energa electromagntica o energa radiante. Veremos con ms detalle esta energa, ya que es la forma en la que recibimos la energa solar. Los cuerpos que se encuentran a una temperatura superior a la de su entorno, o a la de otros cuerpos, contienen energa trmica, que se transfiere en forma de calor. Este tipo de energa tiene una unidad particular en el S.I.: la calora. La energa en los cuerpos puede manifestarse de mltiples maneras. Al transferirse de un cuerpo a otro puede hacerlo cambiando de forma, pero siempre se conserva. As lo enuncia una de las leyes fundamentales de la termodinmica: La energa se transforma. No puede crearse ni destruirse. 2.3. Potencia Cuandoalguientienelacapacidadfsicaderealizaruntrabajo,decimosquetiene cierta energa, segn lo que ya expresamos. Siaesteconceptoleagregamosqueescapazderealizareltrabajoendeterminado tiempo, comenzamos a hablar en trminos de potencia. Aqul que puede realizar un mismo trabajo en menos tiempo es el ms potente. Entonces, potencia es la mayor o menor capacidad de realizar trabajo en una unidad de tiempo. En nuestro uso, la unidad de tiempo ser habitualmente el segundo (s). 2015. Instituto Nacional de Tecnologa Industrial. Todos los derechos reservados. Curso Energa Solar Fotovoltaica- UNIDAD 112 Recordandoqueeltrabajopuedeexpresarsecomocapacidaddetransferirenerga, podemosdecirtambinquepotenciaeslacapacidaddetransferirenergaenuna unidad de tiempo. Porltimo,podemosconceptualizarlotambindeestaotraforma:potenciaesla velocidad con que se transfiere la energa de un cuerpo a otro. Deacuerdoalcontextonosayudarmsunadefinicinqueotra,perosiempre estaremos ante el mismo fenmeno fsico. En el S.I. la unidad de potencia es el Watt. Entonces 1W = 1J /1s. Ennuestromedioeshabitualutilizartambinotrasunidadesparaexpresarla potencia. Y las equivalencias son: Caballo de vapor (CV) = 735 W Caballo de vapor ingls o Horse Power (HP) = 746 W. 3. Bibliografa Energa solar fotovoltaica. Lorenzo Ortega Lizn. Estudios abiertos SEAS. Madrid, 2009. Apuntes de Eficiencia Energtica. Mario Ogara. Saber Cmo INTI. 2010