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1. INTRODUCCIN A LA ENERGA. ....................................................................................... 1
1.1 CONSERVACIN DE LA ENERGA. ................................................................................................................ 2
1.2 ANTECEDENTES Y EVOLUCIN DE LA ENERGA EN ESPAA. .............................................................................. 2
1.3 ENERGAS NO RENOVABLES. ..................................................................................................................... 4
1.3.1 Energa nuclear. ........................................................................................................................ 4
1.3.2 Energa fsil. ............................................................................................................................. 8 1.3.2.1 Ventajas e inconvenientes de las centrales termoelctricas. ....................................................... 10 1.3.2.2 El petrleo y sus derivados. .......................................................................................................... 11 1.3.2.3 Carbn........................................................................................................................................... 13 1.3.2.4 Gas natural. ................................................................................................................................... 14
1.4 ENERGAS RENOVABLES. ........................................................................................................................ 15
1.4.1 Desarrollo sostenible, sostenibilidad. ..................................................................................... 16
1.4.2 Tipos de energa renovable. .................................................................................................... 18 1.4.2.1 Energa elica. ............................................................................................................................... 19 1.4.2.2 Energa hidrulica. ........................................................................................................................ 21 1.4.2.3 Biomasa. ....................................................................................................................................... 22 1.4.2.4 Energa geotrmica. ...................................................................................................................... 24 1.4.2.5 Energa solar. ................................................................................................................................ 26
1.5 TIPOS DE ENERGA SOLAR, RADIACIN SOLAR Y MOVIMIENTO DEL SOL. ............................................................ 27
1.5.1 Tipos de energa solar. ............................................................................................................ 27
1.5.2 Radiacin Solar. ...................................................................................................................... 29
1.5.3 Movimiento del Sol. ................................................................................................................ 30
1.6 ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA. .............................................................................................................. 31
1.6.1 Aplicaciones. ........................................................................................................................... 31
1.6.2 Ventajas e inconvenientes. ..................................................................................................... 32
1.6.3 Situacin del sector fotovoltaico: (UE/Espaa). ...................................................................... 33
1.6.4 Cdigo Tcnico de la Edificacin (CTE). ................................................................................... 35
2. FUNDAMENTOS FSICOS. ............................................................................................... 39
2.1 EFECTO FOTOVOLTAICO. ........................................................................................................................ 39
2.2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. .......................................................................................................... 39
2.3 MATERIALES SEMICONDUCTORES. ........................................................................................................... 40
2.4 UNIN P-N. ..................................................................................................................................... 41
2.5 ANCHO DE BANDA PROHIBIDO................................................................................................................. 42
2.6 ELABORACIN DEL SILICIO. ..................................................................................................................... 43
3. DESCRIPCIN DE SISTEMA FOTOVOLTAICO. ................................................................... 45
3.1 TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS. ...................................................................................................... 45
3.2 COMPONENTES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. ........................................................................................ 45
3.2.1 Mdulos fotovoltaicos. ........................................................................................................... 45
3.2.2 Estructura soporte del mdulo. .............................................................................................. 48
3.2.3 Acumuladores o bateras. ....................................................................................................... 49
3.2.4 Inversores. ............................................................................................................................... 49
3.2.5 Elementos de proteccin y cableado. ..................................................................................... 50
4. OBJETIVO. .................................................................................................................... 51
-
5. GENERALIDADES Y DIMENSIONADO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. ......................... 53
5.1 GENERALIDADES. ................................................................................................................................. 53
5.1.1 Antecedentes. ......................................................................................................................... 53
5.1.2 Situacin y emplazamiento. .................................................................................................... 53
5.1.3 Reglamentos y disposiciones generales. Normativa aplicable. .............................................. 53
5.1.4 Descripcin de la nave industrial. ........................................................................................... 56
5.1.5 Descripcin de la instalacin, componentes y equipos. .......................................................... 56
5.2 DIMENSIONADO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO. ...................................................................................... 57
5.2.1 Mdulos fotovoltaicos. ........................................................................................................... 57
5.2.2 Parmetros y criterios de diseo. ........................................................................................... 59 5.2.2.1 Sombras. ....................................................................................................................................... 60 5.2.2.2 Orientacin e Inclinacin del Generador Fotovoltaico. ................................................................ 60 5.2.2.3 Distancia mnima entre filas. ......................................................................................................... 62 5.2.2.4 Instalacin/colocacin de los mdulos fotovoltaicos. .................................................................. 63
5.3 CLCULO DE PRDIDAS POR ORIENTACIN, INCLINACIN Y SOMBRAS DEL GENERADOR DISTINTAS DE LA PTIMA. ..... 65
5.3.1 Prdidas por orientacin e inclinacin. ................................................................................... 66
5.3.2 Clculo de las prdidas de radiacin solar por sombras. ........................................................ 68
5.3.3 Conclusin clculo de prdidas por sombreado, orientacin e inclinacin. ............................ 70
5.4 ESTRUCTURA SOPORTE DE LOS MDULOS. ................................................................................................. 71
5.5 INVERSOR. .......................................................................................................................................... 72
5.5.1 Caractersticas del Inversor. .................................................................................................... 75
5.5.2 Configuracin del inversor. ..................................................................................................... 75
5.6 CLCULO DE LA PRODUCCIN ANUAL DE ENERGA GENERADA. ....................................................................... 79
5.7 PUNTO DE CONEXIN O ENTRONQUE........................................................................................................ 81
6. PROYECTO ELCTRICO BAJA TENSIN. ........................................................................... 83
6.1 GENERALIDADES. ................................................................................................................................. 83
6.2 DESCRIPCIN DE LA INSTALACIN DE BAJA TENSIN. ................................................................................... 84
6.3 CRITERIOS DE CLCULO PARA LA ELECCIN DE LOS CABLES CONDUCTORES. ....................................................... 85
6.3.1 Parte de continua. ................................................................................................................... 89
6.3.2 Parte de alterna. ..................................................................................................................... 98
6.4 LNEA DE PUESTA A TIERRA. .................................................................................................................. 109
7. PRESUPUESTO Y MEDICIONES ..................................................................................... 111
8. PLANOS ...................................................................................................................... 117
-
9. PLIEGO DE CONDICIONES ............................................................................................ 119
9.1 CALIDAD DE LOS MATERIALES ................................................................................................................ 119
9.1.1 Conductores elctricos .......................................................................................................... 119
9.1.2 Conductores de neutro .......................................................................................................... 120
9.1.3 Conductores de proteccin. .................................................................................................. 120
9.1.4 Identificacin de los conductores .......................................................................................... 121
9.1.5 Tubos protectores. ................................................................................................................ 121
9.1.6 Arquetas. .............................................................................................................................. 121
9.1.7 Cajas de empalme y derivacin. ........................................................................................... 121
9.1.8 Aparatos de mando y maniobra. .......................................................................................... 122
9.1.9 Aparatos de proteccin. ........................................................................................................ 123
9.1.10 Electrodos de puesta a tierra y puesta a tierra. .................................................................... 128
9.2 NORMAS DE EJECUCIN DE LAS INSTALACIONES. ....................................................................................... 129
9.2.1 Instalaciones de enlace. ........................................................................................................ 129
9.2.2 Canalizaciones. Prescripciones generales. ............................................................................ 130
9.2.3 Colocacin de tubos. ............................................................................................................. 131
9.2.4 Instalacin y colocacin de canales protectoras. .................................................................. 134
9.2.5 Apertura de zanjas. ............................................................................................................... 134
9.2.6 Colocacin y caractersticas de canalizaciones entubadas en montaje subterrneo. .......... 135
9.2.7 Colocacin de la cinta de atencin al cable. ...................................................................... 136
9.2.8 Tapado y apisonado de la zanja. .......................................................................................... 136
9.2.9 Medidas de las zanjas. .......................................................................................................... 136
9.2.10 Tendido de cables directamente enterrados. ....................................................................... 136
9.2.11 Tendido de cables en tubos. .................................................................................................. 137
9.2.12 Empalmes. ............................................................................................................................ 138
9.2.13 Red equipotencial. ................................................................................................................ 138
9.2.14 Instalacin de puesta a tierra. .............................................................................................. 139
9.3 CARACTERSTICAS TCNICAS DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS CONECTADAS A LA RED. ............................. 140
9.3.1 Caractersticas generales de diseo. ..................................................................................... 140
9.3.2 Condiciones tcnicas de carcter general. ............................................................................ 140
9.3.3 Condiciones especficas de interconexin. ............................................................................ 141
9.3.4 Medidas y facturacin. ......................................................................................................... 142
9.3.5 Protecciones. ......................................................................................................................... 143
9.3.6 Recepcin y pruebas de la instalacin fotovoltaica. ............................................................. 144
9.3.7 Otras medidas a adoptar. ..................................................................................................... 145
9.4 PRUEBAS REGLAMENTARIAS. ................................................................................................................ 146
9.4.1 Verificacin por examen. ...................................................................................................... 146
9.4.2 Verificaciones mediante medidas o ensayos. ....................................................................... 147
9.5 CONDICIONES DE USO, MANTENIMIENTO Y SEGURIDAD. ............................................................................. 150
9.6 CERTIFICADOS Y DOCUMENTACIN. ....................................................................................................... 150
9.7 LIBRO DE RDENES. ............................................................................................................................ 151
-
10. ESTUDIO BASICO DE SEGURIDAD Y SALUD. .................................................................. 153
10.1 OBJETO DEL ESTUDIO .................................................................................................................. 153
10.2 CARACTERSTICAS DE LA OBRA. ...................................................................................................... 153
10.2.1 Generalidades. ...................................................................................................................... 153
10.2.2 Centros asistenciales ms prximos. .................................................................................... 153
10.2.3 Accesos a al obra. ................................................................................................................. 153
10.2.4 Normas de seguridad aplicables a la obra. ........................................................................... 154
10.3 PROCESO DE ANLISIS DE RIESGO. .................................................................................................. 155
10.4 PROCESO DE MONTAJE DE LA INSTALACIN. ..................................................................................... 156
10.4.1 Proceso constructivo de la obra. ........................................................................................... 156
10.4.2 Aplicaciones de seguridad en el proceso constructivo. ......................................................... 156 10.4.2.1 Replanteo. ................................................................................................................................... 156 10.4.2.2 Acopio de materiales. ................................................................................................................. 157 10.4.2.3 Armado de la estructura en el suelo. .......................................................................................... 157 10.4.2.4 zado de la estructura. ................................................................................................................. 159 10.4.2.5 Instalacin de los mdulos fotovoltaicos. ................................................................................... 160
10.4.3 Instalacin de la red elctrica de Baja Tensin. .................................................................... 161 10.4.3.1 Instalacin. .................................................................................................................................. 161 10.4.3.2 Excavacin y hormigonado. ........................................................................................................ 162
10.4.4 Instalacin provisional contra incendios durante la ejecucin. ............................................ 164
10.5 MAQUINARIA Y HERRAMIENTAS..................................................................................................... 165
10.5.1 Maquinaria de elevacin. ..................................................................................................... 165
10.5.2 Retroexcavadora. .................................................................................................................. 166
10.5.3 Mquinas herramientas........................................................................................................ 168
10.6 BOTIQUN. ................................................................................................................................ 171
ANEXO I: HOJA DE CARACTERSTICAS ............................................................................... 173
-
Introduccin a la energa
1
1. INTRODUCCIN A LA ENERGA.
La energa, en una primera aproximacin puede definirse como la capacidad de un sistema
para llevar a cabo un trabajo. La primera forma de energa que se reconoci como tal fue la
energa mecnica, tanto cintica como potencial. El hecho de que un cuerpo slido en
movimiento, al golpear a otro, haga que ste ltimo se desplace o se deforme, realizando un
trabajo, fue objeto de meditacin ya en poca remota y ya los antiguos griegos la estudiaron
detalladamente. El agua en movimiento se conduce de la misma forma que un slido,
transmitiendo su energa propia a una rueda hidrulica; lo mismo sucede con el aire en
movimiento (viento), que puede impulsar una embarcacin o mover las aspas de un molino.
Aunque el fuego haya sido una de las primeras conquistas fundamentales de la humanidad, el
estudio de la energa trmica se debe casi exclusivamente a la ciencia moderna. El carcter
misterioso del fuego, considerado durante mucho tiempo como sobrenatural, permiti utilizar
el calor y la luz producidos por la combustin, pero evit que se le diese una interpretacin
cientfica.
Hay que esperar hasta el siglo XVI, con las clsicas observaciones del conde de Rumford
(Benjamn Thompson) sobre el calor que se produce por rozamiento durante la perforacin de
caones. Los primeros intentos de construccin de mquinas de vapor demostraron la
posibilidad de transformar calor en energa mecnica. Pero slo a mediados del siglo XVIII, y
gracias a los importantes trabajos de Mayer, Joule y Clausius, se estableci la equivalencia de
energa mecnica y energa trmica. En las dcadas siguientes, la teora cintica de los gases
interpret la energa trmica en trminos de energa mecnica, atribuyndola al movimiento
de agitacin de las partculas que constituyen un sistema. A principios del siglo XVIII se empez
a estudiar sistemticamente otros dos tipos de energa; la energa elctrica y la energa
qumica. Se estableci su recproca convertibilidad por medio del estudio de las pilas (en las
cuales la e. qumica se transforma en e. elctrica) y de los procesos electrolticos (en los que la
e. elctrica se transforma en e. qumica); la observacin de los fenmenos electromagnticos
puso de manifiesto la existencia de un vnculo entre energa magntica y energa elctrica. Por
ltimo, la sntesis Maxwelliana, que resuma las propiedades de la energa elctrica y
magntica en las propiedades de las ondas electromagnticas (electromagntica, radiacin),
pareci completar un cuadro unitario de las distintas formas de energa, recprocamente
transformables unas en otras, y la suma de las cuales permanece constante en un sistema
aislado.
-
Introduccin a la energa
2
1.1 Conservacin de la energa.
La experiencia nos ensea que puede formularse de modo completamente general el
llamado principio de conservacin de la energa, y afirma que la energa no se crea ni se
destruye, slo se transforma pasando de una forma a otra. La energa permanece constante
en un sistema aislado. Si el sistema consume (o suministra) energa, forzosamente el medio
externo suministra (o consume) una cantidad equivalente de energa, permaneciendo
invariable en el tiempo, lo que llev a formular:
En termodinmica Primer principio de la termodinmica.
La cual establece que, al suministrar una determinada cantidad de energa trmica
(Q) a un sistema, esta cantidad de energa ser igual a la diferencia del incremento
de la energa interna del sistema (U) menos el trabajo (W) efectuado por el
sistema sobre sus alrededores.
U Q W
En mecnica Principio de conservacin de la energa.
Para sistemas abiertos formados por partculas que interactan mediante fuerzas
puramente mecnicas la energa se mantiene constante con el tiempo, donde Ec y
Ep son la energa cintica y potencial respectivamente.
mec c pE E E k
1.2 Antecedentes y evolucin de la energa en Espaa.
Los primeros pasos de lo que se puede entender como industria elctrica no se dieron
hasta 1875 con la construccin de la primera central elctrica de Espaa por los seores
Xifra y Dalmau en Barcelona. Desde esta central mediante cuatro motores de gas de 50
caballos cada uno, que movan otras tantas mquinas Gramme de 200 voltamperios, se
distribua la electricidad a talleres y establecimientos de la ciudad. Las mquinas de
Gramme (Dinamo de Gramme) reciben el nombre del ingeniero en electricidad belga
Zenob Gramme, que perfeccion las dinamos existentes. Son mquinas de corriente
continua y su uso como motor se descubrira accidentalmente en la exposicin de Viena de
1873. Se utiliz para la generacin de energa elctrica a escala industrial en alumbrado
elctrico, galvanoplastia y faros. La energa mecnica necesaria para poner en movimiento
el rotor de esta mquina era provista por mquinas de vapor. Fue en esa exposicin donde
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Introduccin a la energa
3
se vislumbr el gran potencial del uso de este tipo de mquinas, logrndose por primera
vez transmitir energa elctrica a lo largo de de milla durante tres das sin requerir
mantenimiento
Al ao siguiente ya se fabrican las primeras mquinas Gramme en Espaa y en 1881 se
constituye la Sociedad Espaola de Electricidad en Barcelona, primera empresa que
produca y distribua fluido elctrico a otros consumidores.
A principios del siglo XX, son ya numerosas las empresas elctricas que existen en Espaa y
el desarrollo del sector es tal, que en 1901 se publica la primera estadstica oficial del
mismo, elaborada por los Ministerios de Fomento y Agricultura que reflejaba la existencia
de 859 centrales elctricas con una potencia total de 127.940 caballos de vapor, de los
cuales el 39% tenan como fuerza motriz la energa hidrulica, el resto provenan de
centrales trmicas.
En 1910, la industria elctrica espaola se haba extendido por todo el pas, sobre todo en
las grandes ciudades, y estaba formada por un gran nmero de sociedades, la mayora de
ellas de carcter local.
La guerra civil de 1936 a 1939 supuso un parntesis en la expansin del parque elctrico. La
situacin no mejor en los aos inmediatamente posteriores, ya que la precaria situacin
econmica del pas impeda la realizacin de grandes obras.
En 1951 el gobierno aprob un nuevo sistema de tarifas, las Tarifas Tope Unificadas, que
entr en vigor en 1953 y estableca la unificacin de precios de la electricidad para todo el
territorio espaol. En estos aos y hasta mediada la dcada de 1970, se construyeron las
grandes centrales hidroelctricas y trmicas con potencias prximas a los 1000 MW y se
ponen en servicio las primeras centrales nucleares.
La crisis energtica de 1973 cambi los planteamientos de la poltica energtica, el primer
Plan Energtico Nacional (PEN) se aprob en 1975. Se impulsa la construccin de centrales
de carbn y nucleares.
La revisin del PEN en 1983, supuso la parada de cinco grupos nucleares en construccin,
basndose en unas directrices en las cuales, cuando se tratara del medio ambiente se
fomentar la investigacin y el desarrollo tecnolgico dirigido a la utilizacin de energas
menos contaminantes y al uso ms limpio de la energa, que tom carcter definitivo con
la Ley 40/1997. En 1985 se crea Red Elctrica de Espaa, S.A. (REE) que supone la
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Introduccin a la energa
4
nacionalizacin de la red de transporte y tendr encomendada la gestin del servicio
pblico de explotacin unificada del sistema elctrico nacional.
A finales de 1996 se firm entre el Ministerio de Industria y Energa y las Empresas
Elctricas el "Protocolo para el establecimiento de una nueva regulacin del sistema
elctrico nacional". En dicho protocolo se establecen las bases operativas que han de regir
en el funcionamiento del sistema elctrico mediante la liberalizacin del mercado y la
introduccin de un mayor grado de competencia.
La aprobacin de la Ley 54/1997 considera el carcter esencial del suministro elctrico para
el funcionamiento de nuestra sociedad, si bien "a diferencia de regulaciones anteriores, la
presente Ley se asienta en el convencimiento de que garantizar el suministro elctrico, su
calidad y su coste no requiere de mas intervencin estatal que la propia regulacin
especifica". Se mantienen reguladas las actividades de transporte y distribucin, dada su
caracterstica de monopolios naturales, mientras que se liberalizan las actividades de
generacin y comercializacin.
En enero de 2003 se liberaliz la totalidad del mercado.
En la actualidad (ao 2008), hay un total de 336 empresas dedicadas a la comercializacin
de la energa en Espaa, siendo las ms grandes a nivel nacional Iberdrola, Endesa, Unin
Fenosa, Hidrocantbrico y Sevillana de Electricidad.
1.3 Energas no renovables.
Se entiende por energas no renovables aquellas fuentes de energa que se agotan. Se
encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y una vez consumidas en su totalidad,
no pueden sustituirse, ya que no existe sistema de produccin o extraccin viable.
Dentro de este tipo de energa cabe destacar:
Los combustibles nucleares.
Los combustibles fsiles.
1.3.1 Energa nuclear.
La energa nuclear representa una parte muy importante en la generacin de energa
elctrica en el mundo, ya que actualmente existen 439 reactores nucleares en operacin
comercial, que generan aproximadamente el 15% de la energa elctrica consumida. Las
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Introduccin a la energa
5
centrales nucleares estn instaladas principalmente en los pases desarrollados, y dentro
de la Unin Europea se encuentran en operacin 146 reactores nucleares que
proporcionan, aproximadamente, una tercera parte de la electricidad consumida por los
Estados Miembros.
En Espaa hay un total de 10 reactores nucleares distribuidos en 8 centrales nucleares
todos ellos situados en la pennsula.
El conjunto de centrales nucleares que en la actualidad se encuentran en fase de
explotacin, cierre o moratoria, corresponden a tres generaciones diferenciadas dentro
del programa nuclear:
Primera generacin.
Centrales proyectadas en la dcada de los 60, cuya construccin se concluy a
finales de esa dcada o comienzos de los 70. Corresponden a esta generacin
las Centrales Nucleares Jos Cabrera, que inici su explotacin en 1968, Santa
Mara de Garoa, que la inici en 1971, y Vandells I, que lo hizo en 1972.
Segunda generacin.
Centrales proyectadas a comienzo de la dcada de los 70, cuya construccin se
inici en la misma poca, con el objetivo de entrar en explotacin a finales de
la dcada, aunque los retrasos en el proceso de construccin hicieran que los
planes se demoraran hasta los aos 80. Corresponden a esta generacin las
Centrales Nucleares de Almaraz I y II, Asc I y II, y Cofrentes.
Tercera generacin.
Centrales Nucleares cuya construccin fue autorizada con posterioridad a la
aprobacin del Plan Energtico Nacional en Julio de 1979. Corresponden a esta
generacin las Centrales Nucleares de Vandells II y Trillo I.
De las 3 generaciones de centrales nucleares se encuentran en funcionamiento 6
centrales nucleares, 2 de las cuales disponen de 2 reactores cada una (Almaraz y Asc)
como se puede ver en la imagen 1.1, por lo que suman 8 reactores de agua ligera, con
una potencia total instalada de 7.716 MW, como se puede ver en la tabla 1.1.
La central nuclear Jos Cabrera dej de funcionar en abril del 2006, y la de Vandells I se
encuentra en fase de desmantelamiento. Los proyectos paralizados en la moratoria
nuclear son, Lemniz I y II en Vizcaya, Valdecaballeros I y II en Badajoz, Trillo II en
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Introduccin a la energa
6
Guadalajara, Escatrn I y II en Zaragoza, Santilln en Cantabria, Regodola en Lugo y
Sayago en Zamora.
La produccin bruta de energa elctrica de origen nuclear durante el ao 2007 ha sido
de 55.102 GWh (como se puede ver en la tabla 1.1), lo que ha supuesto una
contribucin del 17,7% del total de la produccin nacional. En 2007 esta produccin
elctrica ha disminuido un 8,4 % respecto a la del ao anterior, debido a las paradas
prolongadas de las centrales nucleares de Vandells II y de Cofrentes, para llevar a cabo
trabajos planificados.
Imagen 1.1 Ubicacin de las Centrales Nucleares
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Introduccin a la energa
7
ICentral Situacin Tipo * Ao entrada en Servicio (1 Conexin)
Potencia Instalada
(MW)
Produccin Bruta (GWh)
S.M.Garoa Burgos BWR 1971 466 3478
Almaraz I Cceres PWR 1981 974 8523
Asc I Tarragona PWR 1983 1028 7917
Almaraz II Cceres PWR 1983 983 7430
Cofrentes Valencia BWR 1984 1085 6241
Asc II Tarragona PWR 1985 1027 7467
Vandells II Tarragona PWR 1987 1087 5532
Trillo Guadalajara PWR 1988 1066 8515
Total 7716 55102
(*) PWR = Reactor de agua a presin.
BWR= Reactor de agua en ebullicin.
Tabla 1.1 Potencia elctrica y produccin de origen nuclear en 2007.
Los sistemas ms utilizados en la generacin de energa de origen nuclear son PWR y
BWR. A continuacin se describe brevemente su funcionamiento.
Reactor de agua a presin, (por sus siglas en ingls PWR: Pressurized Water Reactor), es
un tipo de reactor nuclear que usa agua como refrigerante y moderador de neutrones.
En un PWR, hay tres circuitos de refrigeracin (primario, secundario y terciario), el
combustible nuclear calienta el agua del circuito primario entregando calor por
conduccin trmica, el circuito primario de refrigeracin est presurizado con el fin de
evitar que el agua alcance su punto de ebullicin, el calor del agua del circuito primario
se transfiere hacia el agua del circuito secundario para convertirla en vapor. La
transferencia de calor se lleva a cabo sin que el agua del circuito primario y el secundario
se mezclen ya que el agua del primario es radioactiva, mientras que es necesario que el
agua del secundario no lo sea. El vapor que sale del generador de vapor se utiliza para
mover una turbina que a su vez mueve un generador elctrico. Despus de pasar por la
turbina, el vapor se enfra en un condensador donde se tiene nuevamente agua lquida
que es bombeada nuevamente hacia el generador de vapor. El condensador es enfriado
por un tercer circuito de agua llamado circuito terciario.
Reactor de agua en ebullicin, (por sus siglas en ingls BWR: Boiling Water Reactor), es
un tipo de reactor nuclear de agua, diseado por General Electric a mediados de la
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Introduccin a la energa
8
dcada de los cincuenta, y en el que el agua comn que se utiliza como refrigerante y
moderador al igual que en PWR. La diferencia es que un BWR slo hay dos circuitos. El
BWR solo utiliza un circuito en el cual el combustible nuclear hace hervir el agua
produciendo vapor. Este ltimo asciende hacia una serie de separadores y secadores
que lo separan del caudal del agua de refrigeracin, reduciendo el contenido humedad
del vapor, lo cual aumenta la calidad de ste. El vapor seco fluye entonces en direccin a
la turbina que mueve el generador elctrico. Tras esto el vapor que sale de la turbina
pasa por un condensador que lo enfra obtenindose nuevamente agua liquida, la cual
es impulsada mediante bombas de nuevo hacia el interior de la vasija que contiene el
ncleo.
El principal problema medioambiental asociado con la produccin de este tipo de
energa (energa nuclear), es que su combustible es limitado, que genera residuos
radiactivos activos durante cientos de aos, y que puede ocasionar graves catstrofes
medioambientales en caso de accidente.
1.3.2 Energa fsil.
Energa procedente del petrleo, el gas y el carbn, residuos de la transformacin de
organismos que vivieron hace millones de aos. Esta energa se transforma en centrales
termoelctricas.
Una central termoelctrica, es una instalacin empleada para la generacin de energa
elctrica a partir de la energa liberada en forma de calor, normalmente mediante la
combustin de combustibles fsiles como petrleo, carbn o gas natural.
Existen 2 tipos de centrales termoelctricas:
Centrales termoelctricas clsicas, se denomina a aquellas que emplean la
combustin del carbn, petrleo (fueloil) o gas natural para generar energa
elctrica. Este calor es empleado por un ciclo termodinmico convencional
para mover un alternador y producir energa elctrica. Este tipo de centrales
elctricas generan el 16,5% de la energa elctrica necesaria en Espaa.
Centrales termoelctricas de ciclo combinado, al igual que las centrales
termoelctricas clsicas, utiliza gas natural, gasleo o incluso carbn
preparado como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los
gases de escape de la turbina de gas que todava tienen una elevada
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Introduccin a la energa
9
temperatura, se utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina.
Cada una de estas turbinas est acoplada a su correspondiente alternador
para generar la electricidad como en una central termoelctrica clsica. Como
la diferencia de temperaturas que se produce entre la combustin y los gases
de escape es ms alta que en el caso de una turbina de gas o una de vapor, se
consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 50 % respecto las
clsicas. Este tipo de centrales generan el 34% de las necesidades espaolas
de energa elctrica.
En nuestro pas hay en funcionamiento aproximadamente 200 centrales trmicas,
algunas de stas se pueden observar en la imagen 1.2, con una potencia total instalada
de ms de 27.000 MW. La potencia media de estas centrales, por lo tanto, es de unos
140 MW. stas centrales trmicas producen ms de 125 TWh, es decir, ms del 51 % del
total de energa elctrica en Espaa.
De todas las centrales, slo hay 6 que superan los 1000 MW:
As Pontes de Garca Rodrguez (A Corua), con ms de 1.400 MW, la mayor de
Espaa. Consume carbn, tanto nacional como importado.
Compostilla (Len), con 1.312 MW. Utiliza carbones de la cuenca minera en la
que est enclavada.
Carboneras (Almera), con 1.100 MW. Utiliza carbn importado.
Castelln, con 1.083 MW Emplea como combustible fuel-oil.
Teruel, con 1.050 MW. Emplea carbones de la cuenca minera aragonesa.
San Adrin (Barcelona), con 1.050 MW. Consume fuel y gas natural.
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Introduccin a la energa
10
Imagen 1.2 Ubicacin de centrales termoelctricas con ms de 20 MW de potencia.
La distribucin de las centrales trmicas responde a factores como los siguientes:
La proximidad de cuencas mineras que las abastezcan de combustible. Esto
explica la gran densidad de centrales en la cuenca minera de Asturias y Len,
as como el grupo de centrales (Teruel y Escucha) en la cuenca de lignitos
aragonesa.
La localizacin costera, que facilita su abastecimiento con carbones
importados o fuel. Es el caso de las centrales ubicadas en el sur y levante de la
pennsula como Castelln, Escombreras, litoral de Almera, Algeciras y Cdiz.
La proximidad a los centros urbanos que debe abastecer. Aunque el transporte
de energa elctrica a largas distancias es una actividad que no ofrece
especiales dificultades, reas urbanas como la de Barcelona y Bilbao estn
rodeadas de una red relativamente densa de centrales, lo que no sucede en
Madrid.
1.3.2.1 Ventajas e inconvenientes de las centrales termoelctricas.
Ventajas.
Son consideradas las centrales ms econmicas y rentables teniendo en cuenta el
precio por megavatio instalado, debido a la simplicidad (comparativamente
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Introduccin a la energa
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hablando) de su construccin, por lo que su utilizacin est muy extendida en el
mundo.
Inconvenientes.
El uso de combustibles fsiles produce emisiones de gases de efecto invernadero a la
atmsfera como el dixido de carbono (CO2) ver tabla 1.2, y en menor cantidad
dixido de azufre (SO2), responsable de la lluvia cida. Al ser los combustibles fsiles
una fuente de energa finita, su uso est limitado a la duracin de las reservas y/o su
rentabilidad econmica. Sus emisiones trmicas y de vapor pueden alterar el
microclima local, y afectan negativamente a los ecosistemas fluviales debido a los
vertidos de agua caliente en estos.
Combustible Emisiones de CO2 kg/kWh
Gas natural 0,44
Fuelleo 0,71
Carbn 1,45
Tabla 1.2 Emisiones de CO2 en funcin del combustible utilizado.
1.3.2.2 El petrleo y sus derivados.
El petrleo es un lquido aceitoso, viscoso e inflamable, constituido por una mezcla
de hidrocarburos, que, de forma natural, se encuentra en determinadas formaciones
geolgicas.
En cuanto al origen del mismo, la teora ms aceptada sobre su formacin afirma que
es el producto de la degradacin, a travs de grandes presiones y temperaturas, de
materia orgnica procedente de restos de animales y plantas.
El petrleo no puede utilizarse tal como es extrado, porque el crudo tiene
demasiados componentes, cada uno de ellos con propiedades diferentes. Para
aprovecharlo, se separan estos componentes, normalmente mediante destilacin en
las refineras. En las ltimas dcadas, la mayor demanda de hidrocarburos ligeros
(gasolinas) ha hecho que tambin se utilice en procesos de ruptura cataltica
(cracking) para romper las cadenas de los hidrocarburos pesados en otros ms
ligeros.
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Introduccin a la energa
12
El petrleo y sus derivados constituyen la mayor parte de la energa consumida en
Espaa (en 2006, un 49 % de la energa primaria provino del petrleo). El consumo en
2006 disminuy un 1,0 % respecto al ao anterior para situarse en 73,9 millones de
toneladas.
Aunque en Espaa existen yacimientos de petrleo, su produccin en 2006 y 2007
slo de 140 y 143 miles de toneladas respectivamente (ver tabla 1.3), lo que hace
que la prctica totalidad del crudo que se trata en las 10 refineras espaolas tenga
que ser importado, como se observa en la imagen 1.3. Los principales pases que
suministran petrleo a Espaa fueron Rusia, Arabia Saudita, Irn y Mxico.
Imagen 1.3 Origen de las importaciones de crudo en 2007
Yacimiento 2006 2007
Ayoluengo 5 6
Boquern 33 33
Casablanca 67 84
Rodaballo 35 21
Total (kt) 140 143
Tabla 1.3 Yacimientos espaoles de petrleo.
Las 10 refineras existentes en Espaa estn operadas por 5 compaas (ver imagen
1.4), Repsol, Petronor, Cepsa, BP y Asesa (Asfaltos Espaoles), de las cuales se puede
reducir a 3 (Repsol, Cepsa y BP Oil Espaa), ya que Repsol posee el 85,98 % de
Petronor y el 50 % de Asesa, el otro 50 % lo tiene Cepsa.
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Introduccin a la energa
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En 2006 el petrleo supuso el 39% del consumo de energa primaria en la UE, el
48,8% en Espaa y el 44% en la Comunidad Valenciana (Datos del balance energtico
de la Comunidad Valenciana 2006. Datos del AVEN. Agencia Valenciana de la
Energa).
Imagen 1.4 Refineras en Espaa.
1.3.2.3 Carbn.
El carbn se origina por descomposicin de vegetales terrestres, hojas, maderas,
cortezas, y esporas, que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de
poca profundidad. Los vegetales muertos se van acumulando en el fondo de una
cuenca. Quedan cubiertos de agua y, por tanto, protegidos del aire que los destruira.
Comienza una lenta transformacin por la accin de bacterias anaerobias, un tipo de
microorganismos que no pueden vivir en presencia de oxgeno. Con el tiempo se
produce un progresivo enriquecimiento en carbono.
Existen diferentes tipos de carbones minerales en funcin del grado de
carbonificacin que haya experimentado la materia vegetal. El rango de un carbn
mineral se determina en funcin de criterios tales como su contenido en materia
voltil, contenido en carbono fijo, humedad, poder calorfico, etc. Existen varias
clasificaciones, una de las ms utilizadas divide a los carbones de mayor a menor
rango en: Antracita, Bituminoso bajo en voltiles, Bituminoso medio en voltiles,
Bituminoso alto en voltiles, Sub-bituminoso, Lignito, Turba.
Uno de los carbones ms extrados es la hulla, mineral de tipo bituminoso medio y
alto en voltiles. Las reservas de carbn se encuentran muy repartidas, con 70 pases
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Introduccin a la energa
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con yacimientos aprovechables. Los 10 pases mayores productores de carbn
bituminoso y antracita en el ao 2007 se pueden ver en la tabla 1.4:
Pas Produccin
Repblica Popular China 2.549 Mt
Estados Unidos de Amrica 981 Mt
India 452 Mt
Australia 323 Mt
Surfrica 244 Mt
Rusia 241 Mt
Indonesia 231 Mt
Polonia 90 Mt
Kazajistn 83 Mt
Colombia 72 Mt
Tabla 1.4 Principales productores de carbn.
En Espaa los principales yacimientos de hulla y antracita estn en Len, Asturias,
Palencia, Crdoba y Ciudad Real.
En 2006 el carbn supuso el 14,6% del consumo de energa primaria en la UE, el
12,7% en Espaa y en la Comunidad Valenciana prcticamente nulo (Datos del
balance energtico de la Comunidad Valenciana 2006. Datos del AVEN. Agencia
Valenciana de la Energa).
1.3.2.4 Gas natural.
El gas natural consiste en una mezcla de gases, en proporciones variables, pero
donde el metano (CH4) constituye ms del 70 %. Otros gases que pueden estar
presentes en proporciones apreciables son el nitrgeno (N hasta el 20 %), dixido de
carbono (CO2 hasta el 20 %) y etano (C2H6 hasta el 10 %).
Proviene de la degradacin de materia orgnica. En muchos casos va asociado a
yacimientos de petrleo, aunque en otras ocasiones se descubre aislado. El
componente fundamental del gas natural, el metano, tambin puede producirse
artificialmente mediante la fermentacin bacteriana de materia orgnica (por
ejemplo en una depuradora de aguas residuales).
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Introduccin a la energa
15
El gas natural puede utilizarse tal cual se obtiene del yacimiento (aunque pueden ser
necesarias operaciones de filtrado y secado, sobre todo para aumentar la duracin
de las canalizaciones por donde va a discurrir). El problema principal es su transporte.
Puede hacerse a travs de gasoductos o licuando primero el gas (comprimindolo y
bajando mucho su temperatura), cargando el lquido en un buque metanero y
regasificndolo en el punto de destino. Su uso principal es el de combustible para
proporcionar calor, impulsar turbinas productoras de electricidad o mover motores.
Tambin se emplea como materia prima en la fabricacin de abonos nitrogenados.
En 2003 se consumieron en Espaa 274.490 GWh de gas natural, lo que supone un
crecimiento del 13,3% respecto a las cifras de 2002. El gas natural constituy en 2003
el 15,6% de toda la energa consumida en Espaa. En 1985 esta cifra era nicamente
de un 2%, lo que da una idea del crecimiento que ha tenido en Espaa esta fuente de
energa y su importancia, no slo desde el punto de vista medioambiental, sino
tambin como factor de competitividad de las empresas espaolas.
En 2006 el gas natural supuso el 24,4% del consumo de energa primaria en la UE, el
20,9% en Espaa y el 25,6% en la Comunidad Valenciana (Datos del balance
energtico de la Comunidad Valenciana 2006. Datos del AVEN. Agencia Valenciana de
la Energa).
1.4 Energas renovables.
Las fuentes de energa renovable han sido aprovechadas por el hombre desde hace mucho
tiempo, la navegacin a vela, los molinos de viento o de agua y las disposiciones
constructivas de los edificios para aprovechar el Sol, son buenos ejemplos de ello.
Su empleo continu durante toda la historia hasta la llegada de la Revolucin Industrial, a
mediados del siglo XVIII, en la que la aparicin del carbn, con una densidad energtica
muy superior a la de la biomasa y su menor precio, desplaz a stas.
Posteriormente, el petrleo fue desplazando en muchas aplicaciones al carbn debido a su
mayor limpieza, mayor poder calorfico y su carcter fluido.
En el siglo XX aparece un nuevo recurso, ms limpio y con mayores reservas, el gas natural,
del que se dice ser la energa del siglo XXI, con lo que es de suponer que tambin sufrir
una crisis a lo largo de este siglo.
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Introduccin a la energa
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Durante los ltimos aos, y pensando en el futuro agotamiento de las fuentes de energa
fsiles, debido a que muchos pases dependen de stas, el progresivo incremento de su
coste y en los problemas medioambientales derivados de su explotacin, transporte y
consumo, se est produciendo un renacer de las energas renovables.
Las energas renovables son aquellas que se producen de manera continua y son
inagotables a escala humana. Son respetuosas con el medio ambiente, y aunque ocasione
efectos negativos sobre el entorno, son mucho menores que los de las energas
convencionales antes citadas. El impacto medioambiental en la generacin de electricidad
de las energas convencionales es 31 veces superior al de las energas renovables.
El Sol es la fuente de energa de la Tierra, est en el origen de todas las energas renovables,
se recibe en forma de radiacin que retiene la atmsfera y permite que la tierra se
mantenga a una temperatura ms o menos constante posibilitando que haya vida. As, el
calentamiento de la tierra y del agua provoca las diferencias de presin que dan origen al
viento, fuente de la energa elica. El Sol es, a la vez, el agente principal del ciclo del agua,
que convierte la evaporacin de los ocanos en lluvia y, por lo tanto, en el recurso de la
energa hidrulica. El Sol, tambin, es el actor imprescindible del proceso de fotosntesis y
por ello origen principal de la energa que utiliza la biomasa.
El Sol, en definitiva, es fuente de vida y origen de las dems formas de energa que el
hombre ha utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras
necesidades, si aprendemos cmo aprovechar de forma racional la luz que continuamente
derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de
aos, y se calcula que todava no ha llegado ni a la mitad de su existencia.
1.4.1 Desarrollo sostenible, sostenibilidad.
El trmino desarrollo sostenible, se aplica al desarrollo socio-econmico y fue
formalizado en el documento conocido como Informe Brundtland (1987), fruto de los
trabajos de la Comisin Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas,
creada en Asamblea de las Naciones Unidas en 1983. Dicha definicin se asumira
Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las
posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades. El mbito del
desarrollo sostenible puede dividirse conceptualmente en 3 partes; ambiental,
econmica y social. La relacin e interaccin de estos 3 conceptos, nos lleva a
formular que los proyectos a realizar tienen que ser equitativos en cuanto a la
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Introduccin a la energa
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sociedad y economa se refiere, tambin tienen que ser viables con el medio
ambiente y la economa de un pas, y tiene que ser soportable por la sociedad y
el medio ambiente. Todo ello nos conduce al trmino de sostenibilidad, como se
puede apreciar en la imagen 1.5, donde mediante un diagrama interactan los
conceptos antes mencionados.
Imagen 1.5 Sostenibilidad.
Como se indica en el principio de conservacin de la energa, la energa ni se crea ni se
destruye, por ello, la utilizacin de la energa del Sol para producir electricidad o calor,
no produce cambios sustanciales en el equilibrio de la Tierra. La idea de conseguir un
desarrollo sostenible desde el punto de vista energtico, pasa por el uso de energas
renovables, es decir, aprovechar el Sol que llega al planeta, lo cual no potenciar el
efecto invernadero, ni acelerar el cambio climtico.
Se denomina efecto invernadero al fenmeno por el cual determinados gases como el
dixido de carbono (CO2), el metano (CH4), vapor de agua (H2O), xidos de nitrgeno
(NOx), ozono (O3) y clorofluorocarbono (los llamados CFCs), que retienen parte de la
energa que el suelo emite por haber sido calentado por la radiacin solar, y afecta a
todos los cuerpos planetarios dotados de atmsfera. La importancia de los efectos de
absorcin y emisin de radiacin en la atmsfera son fundamentales para el desarrollo
de la vida tal y como se conoce. De hecho, si no existiera este efecto la temperatura
media de la superficie de la Tierra sera de unos -22 C, y gracias al efecto invernadero es
de unos 14 C (media mundial).
Desde hace aos el ser humano est produciendo un aumento de los gases de efecto
invernadero, con lo que la atmsfera retiene ms calor y devuelve a la Tierra an ms
energa causando un desequilibrio y un calentamiento global del planeta.
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Introduccin a la energa
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1.4.2 Tipos de energa renovable.
Con las energas renovables se pueden obtener las 2 formas de energa ms utilizadas,
calor y electricidad. Los diferentes tipos de energa renovable son:
Energa Elica.
Energa Hidrulica.
Biomasa.
Energa Geotrmica.
Energa Solar.
Ventajas.
Son inagotables a escala humana.
Son respetuosas con el medio ambiente.
No generan residuos peligrosos.
Se pueden instalar en zonas aisladas.
Disminuyen la dependencia de suministros externos.
Inconvenientes.
Producen impactos visuales elevados.
Son variables y no previsibles en su totalidad.
La generacin de este tipo de energas tiene un elevado coste frente las
llamadas energas convencionales.
Otras energas renovables.
Existen otras energas renovables que actualmente estn en desarrollo, como la
generacin de energa a partir de las olas del mar y las corrientes marinas (energa
undimotriz), o el potencial de las mareas (energa maremotriz). Las tecnologas para
estas aplicaciones estn tambin en desarrollo encontrndose en el mercado diferentes
sistemas tecnolgicos:
Sistemas de boyas que flotan en el mar.
Depsitos colocados en la costa que reciben de forma peridica las olas
impulsando aire a una turbina.
Largas estructuras flotantes articuladas que aprovechan al movimiento para
producir electricidad.
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Introduccin a la energa
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1.4.2.1 Energa elica.
La energa elica es la energa obtenida de la fuerza del viento, es decir, mediante la
utilizacin de la energa cintica generada por las corrientes de aire. Dicha energa ha
sido aprovechada desde la antigedad para mover los barcos impulsados por velas o
hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas.
Aproximadamente el 2 % de la energa que llega del Sol se transforma en energa
cintica de los vientos atmosfricos. El Sol provoca en la Tierra las diferencias de
presin que dan origen a los vientos. La energa del viento se deriva del
calentamiento diferencial de la atmsfera y las irregularidades de la superficie
terrestre.
Las zonas ms propias para la instalacin de parques elicos son aquellas reas
expuestas a vientos frecuentes, as como las comarcas costeras y las grandes estepas.
Para poder aprovechar la energa elica es importante conocer las variaciones
diurnas, nocturnas y estacionales de los vientos, la variacin de la velocidad del
viento con la altura sobre el suelo, valores mximos y mnimos ocurridos, etc.
El dispositivo capaz de realizar la conversin de la fuerza del viento en electricidad es
el aerogenerador, que consiste en un sistema mecnico de rotacin provisto de palas
aerodinmicas, y de un generador elctrico con el eje solidario al sistema motriz, de
forma que el viento hace girar ambos sistemas. En la actualidad existen 2 tipos de
aerogeneradores, con eje horizontal o eje vertical, siendo el primero el ms utilizado,
como los de la imagen 1.6.
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Introduccin a la energa
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Imagen 1.6 Parque elico (aerogeneradores).
Usos.
Bombeo de agua.
Electrificacin rural.
Demandas de pequea potencia.
Puede utilizarse para autoconsumo.
Pueden agruparse varios aerogeneradores y formar parques elicos
conectados a la red elctrica.
Ventajas.
Es una energa limpia, no contamina.
No produce gases txicos.
La tecnologa necesaria para instalarla es sencilla.
Los espacios ocupados permiten la actividad agrcola.
Inconvenientes.
Impacto visual.
Repercute sobre la fauna y la flora. La avifauna se ve afectada por el choque
de las aves contra las aspas de los molinos, modificando el comportamiento
habitual de migracin y nidacin.
Impacto sonoro ocasionado por el ruido del giro del rotor.
Puede causar interferencias en los medios de comunicacin.
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Introduccin a la energa
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1.4.2.2 Energa hidrulica.
Se denomina energa hidrulica o energa hdrica a aquella que se obtiene del
aprovechamiento de las energas cintica y potencial del agua, como se puede ver en
la imagen 1.7.
Ya desde la antigedad se reconoci que el agua que fluye desde un nivel superior a
otro inferior posee una determinada energa cintica susceptible de ser convertida
en trabajo, como lo demuestran los miles de molinos que a lo largo de la historia
fueron construyndose a orillas de los ros.
Tiene su origen en el ciclo del agua, generado por el Sol. ste, evapora las aguas de
los mares, lagos, etc. Esta agua cae en forma de lluvia y nieve sobre la tierra y vuelve
hasta el mar donde el ciclo se reinicia.
La energa hidroelctrica es una de las energas ms rentables. Aunque los costes
iniciales son bastante elevados, por contra, los gastos de explotacin y
mantenimiento son relativamente bajos. Las centrales hidroelctricas transforman
en energa elctrica el movimiento de las turbinas que se genera al precipitar una
masa de agua entre dos puntos a diferente altura.
La ubicacin de las centrales hidroelctricas requieren de una serie de
condicionantes como pluviosidades medias anuales favorables, y que el lugar de
emplazamiento queda supeditado a las caractersticas y configuracin del terreno
por donde discurre la corriente de agua.
El impacto medioambiental de las grandes presas, por la alteracin del paisaje e
incluso, la induccin de un microclima diferenciado en su emplazamiento, ha
desmerecido la bondad ecolgica de este concepto en los ltimos aos.
Recientemente se estn realizando centrales mini hidroelctricas que, aprovechando
lugares donde no se puede hacer un gran embalse, se benefician de los progresos
tecnolgicos, logrando un rendimiento y una viabilidad econmica razonables,
adems de ser catalogada como energa renovable mucho ms respetuosa con el
ambiente.
Segn la legislacin espaola, una central se considera minihidrulica si tiene una
potencia instalada menor o igual a 10 MW de potencia.
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Introduccin a la energa
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Imagen 1.7 Presa y central hidrulica.
Ventajas.
No contamina ni emite gases contaminantes.
Es muy abundante.
Produce trabajo a temperatura ambiente.
Tiene una doble funcin. Crear energa y permite el aprovechamiento y
almacenamiento de agua para regados.
Inconvenientes.
Infraestructura costosa.
Depende de los factores climticos.
Impacto medioambiental.
Pueden crear obstculos a la emigracin de ciertos peces.
1.4.2.3 Biomasa.
Biomasa (masa biolgica) es el conjunto de materia generada a partir del proceso de
fotosntesis o en la cadena biolgica. La biomasa energtica tambin se define como
el conjunto de la materia orgnica, de origen vegetal o animal, incluyendo los
materiales procedentes de su transformacin natural o artificial. Toda materia
orgnica es potencialmente una fuente de energa y su aprovechamiento puede
proporcionar agua caliente, calefaccin, combustible e incluso energa elctrica.
La biomasa es la nica fuente renovable que se puede almacenar, lo que la diferencia
de la energa solar, elica y otras fuentes que necesitan acumuladores artificiales
como bateras. La energa de biomasa que produce la madera, los residuos agrcolas y
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Introduccin a la energa
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el estircol, contina siendo la fuente principal de energa de muchas zonas en vas
de desarrollo.
La fuente de la biomasa son las plantas, que necesitan del Sol para poder realizar la
fotosntesis. Es una energa renovable con mucho potencial, ya que la fotosntesis
permite convertir la energa solar en materia orgnica de la que se obtienen
combustibles.
Se encuadran dentro de las energas renovables porque mientras puedan cultivarse
los vegetales que las producen, no se agotarn, pero es una energa renovable
contaminante debido a que en la combustin se producen emisiones de CO2. El uso
de biomasa o de sus derivados puede considerarse neutro en trminos de emisiones
netas si slo se emplea en cantidades a lo sumo iguales a la produccin neta de
biomasa del ecosistema que se explota.
Imagen 1.8 Generacin de biomasa.
Fuentes de la biomasa (imagen 1.8):
Residuos de industrias forestales: ramas, cortezas, races, etc., cuyo origen
proviene del mantenimiento y mejora de montes y masas forestales.
Residuos agrcolas: paja de cereal, ramas obtenidas tras la poda de frutales y
viedos.
Residuos de industrias agrcolas y agroalimentarias: son residuos orgnicos
que, en grandes cantidades, eliminan empresas de conservas vegetales,
productos de aceites y vinos, frutos secos, etc.
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Introduccin a la energa
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Residuos biodegradables: residuos que se transforman mediante
degradacin anaerobia para convertirse en estado gaseoso.
Ventajas.
El balance de CO2 emitido a la atmsfera es neutro.
El aprovechamiento energtico supone convertir un residuo en un recurso.
Inconvenientes.
Impacto visual negativo en la construccin de centrales.
El rendimiento de las calderas de biomasa es inferior a los de las que usan
combustible fsil.
Para conseguir un buen aporte energtico se necesita gran cantidad de
biomasa y por lo tanto ocupar grandes extensiones de tierra en el caso del
cultivo energtico.
Por tanto, con la biomasa, a partir de aceites, alcoholes, residuos, madera, etc., se
obtiene biocarburantes como el biodiesel (sustitutivos del diesel) y bioetanol
(sustitutivos de la gasolina), biogs y combustible para calefaccin.
Actualmente se estudian tambin ciertas especies vegetales que permiten realizar
cultivos energticos, es decir, las cosechas estarn destinadas exclusivamente a su
uso energtico, incluso se estudia el aprovechamiento de las algas marinas.
1.4.2.4 Energa geotrmica.
La energa geotrmica es aquella energa que se obtiene mediante la extraccin y
aprovechamiento del calor del interno de la Tierra. Este calor permanente se origin
en los primeros momentos de formacin del planeta y se transmite por conduccin
trmica hasta la superficie. Se manifiesta por medio de procesos geolgicos como
volcanes, giseres que expulsan agua caliente y aguas termales. Segn la
temperatura del agua, los yacimientos se pueden clasificar en:
Energa geotrmica a altas temperaturas, para temperaturas comprendidas
entre 150 y 400C se produce vapor suficiente para mover una turbina y
producir electricidad como hemos visto en casos anteriores.
Energa geotrmica a temperaturas medias, para temperaturas
comprendidas entre 70 y 150C, la conversin vapor electricidad se realiza
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Introduccin a la energa
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con un menor rendimiento. Tambin se utiliza en sistemas urbanos para
abastecer de calefaccin y agua caliente.
Energa geotrmica a baja temperatura, para temperaturas comprendidas
entre 20 y 70C, sta energa se utiliza para calefaccin y agua caliente de uso
domestico, donde el usuario tiene su propia instalacin.
Los mrgenes entre los diferentes tipos de energas geotrmicas son un tanto
arbitrarios, pero si se trata de producir electricidad con un rendimiento aceptable, la
temperatura mnima estar entre 120 y 180C.
A partir de cierta profundidad, la temperatura de la Tierra no sufre cambios bruscos,
este efecto es aprovechado para fines trmicos en sistemas basados en bomba de
calor, captando la energa mediante una red de tubos enterrados, ya sea en el plano
horizontal, o bien mediante una captacin en vertical a profundidades mayores,
como la instalacin realizada en la Universidad Politcnica de Valencia (como se
puede ver en la imagen 1.9).
Imagen 1.9 Instalacin geotrmica en la Universidad Politcnica de Valencia (Escuela
Tcnica Superior de Ingeniera Industrial).
Usos.
Calefaccin y agua caliente.
Electricidad.
En balnearios, aguas termales que tienen aplicaciones para la salud.
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Introduccin a la energa
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Agricultura y acuicultura, para invernaderos y criaderos de peces.
Ventajas.
No hay cambios bruscos de temperatura en el foco de captacin de energa.
Los residuos que pueden producir son mnimos.
Es una fuente que evitara la dependencia energtica del exterior.
Inconvenientes.
Contaminacin trmica.
Deterioro del paisaje.
Emisin de cido sulfhdrico (H2S) y de CO2.
Posible contaminacin de aguas prximas con sustancias como arsnico (As)
y amonaco (NH3).
No se puede transportar.
1.4.2.5 Energa solar.
La energa solar es la energa producida por el Sol. El rendimiento que el hombre
puede hacer de la energa solar es variado. En este sentido, dentro de la energa solar
hay que diferenciar 2 bloques, la energa solar pasiva y la activa. La diferencia es que
la pasiva aprovecha la energa solar sin utilizar ningn sistema de conversin o
transferencia de energa, como pueden ser las viviendas o los invernaderos, mientras
que la energa solar activa s utiliza elementos de conversin. Dentro de la energa
solar activa, se incluira la energa solar trmica, aquellos sistemas que aprovechan la
energa del Sol para una demanda energtica de calor y la energa solar fotovoltaica,
aquella que convierte la luz del Sol en electricidad.
Ventajas.
Escaso impacto ambiental.
No produce residuos ni gases contaminantes para el medio ambiente.
Distribuida por todo el mundo.
No hay dependencia de las compaas suministradoras.
Inconvenientes.
Precisan sistemas de acumulacin o bateras (que contienen agentes
qumicos peligrosos).
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Introduccin a la energa
27
Puede afectar a los ecosistemas por la extensin que ocupan grandes
instalaciones.
Impacto visual negativo si no se cuida la integracin de los mdulos o
captadores en el entorno.
Durante el presente ao, el Sol arrojar sobre la Tierra 4000 veces ms energa de la
que vamos a consumir.
1.5 Tipos de energa solar, radiacin solar y movimiento del Sol.
1.5.1 Tipos de energa solar.
Dentro de los mltiples usos que tiene la energa solar, y segn el aprovechamiento que
se va a realizar de la radiacin incidente del Sol en la Tierra, la energa solar se puede
clasificar en 3 grupos a la hora de trabajar.
Energa solar directa, es la energa del Sol sin transformar, que calienta e
ilumina y no necesita sistemas de captacin y almacenamiento. Se utiliza
mucho en la construccin, mediante acristalamientos y otros elementos
arquitectnicos con elevada masa y capacidad de absorcin de energa, es la
llamada energa solar pasiva.
Energa solar trmica, consiste en aprovechar la energa del Sol para producir
calor. La radiacin del Sol se transforma en calor mediante el uso de colectores
o paneles solares trmicos, que calientan un fluido termoportador que circula
por unos tubos en el interior de los captadores solares.
Las aplicaciones son muy variadas, pero las ms extendidas con este tipo de
tecnologa son, agua caliente sanitaria (ACS, ver imagen 1.10), apoyo
calefaccin y calefaccin por suelo radiante.
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Introduccin a la energa
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Imagen 1.10 Instalacin solar trmica de ACS.
Energa solar fotovoltaica, que permite transformar en electricidad la
radiacin del Sol, por medio de clulas fotovoltaicas integrantes en mdulos o
paneles fotovoltaicos solares (como en la imagen 1.11). Esta electricidad se
puede utilizar de manera directa, almacenndola en acumuladores para un uso
posterior, o se puede introducir o inyectar en la red de distribucin elctrica.
sta ltima, es la que ha tenido un mayor auge en los ltimos aos en Espaa y
es una de las energas renovables con mayores posibilidades.
Imagen 1.11 Instalacin Fotovoltaica.
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1.5.2 Radiacin Solar.
El Sol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de 5600 C, en cuyo
interior tienen lugar una serie de reacciones que producen una prdida de masa que se
transforma en energa. Esta energa liberada del Sol se transmite al exterior mediante la
denominada Radiacin Solar.
La radiacin en el Sol es 63.450.720 W/m2. Si suponemos que el Sol emite en todas las
direcciones y construimos una esfera que llegue a la atmsfera terrestre, es decir, que
tenga un radio de la distancia de 146,9 millones de Km podremos determinar cual es la
radiacin en este punto. Este valor de la radiacin solar recibida fuera de la atmsfera
sobre una superficie perpendicular a los rayos solares es conocida como constante solar
(1.353 W/m2), variable durante todo el ao un 3 % a causa de la elipticidad de la rbita
terrestre.
A la Tierra slo llega aproximadamente 1/3 de la energa total interceptada por la
atmsfera, y de ella el 70% cae al mar. An as, es varios miles de veces el consumo
energtico mundial.
La radiacin solar engloba los trminos irradiancia e irradiacin.
Irradiancia, es la densidad de potencia incidente en una superficie o la energa
incidente en una superficie por unidad de tiempo y unidad de superficie. Se
mide en kW/m2.
Irradiacin, es la energa incidente en una superficie por unidad de superficie y
a lo largo de un cierto perodo de tiempo. Se mide en kWh/m2.
Tipos de Radiacin Solar.
En funcin de cmo inciden los rayos en la Tierra se distinguen 3 componentes de la
radiacin solar (ver imagen 1.12):
Directa, es la recibida desde el Sol sin que se desve en su paso por la
atmsfera.
Difusa, es la que sufre cambios en su direccin principalmente debidos a la
reflexin y difusin en la atmsfera.
Albedo, es la radiacin directa y difusa que se recibe por reflexin en el suelo u
otras superficies prximas.
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Aunque las 3 componentes estn presentes en la radiacin total, la radiacin directa es
la mayor y ms importante en las aplicaciones fotovoltaicas.
Imagen 1.12 Tipos de radiacin solar.
Proporciones de Radiacin.
Las proporciones de radiacin directa, difusa y albedo que recibe una superficie
depende de:
Condiciones meteorolgicas, en un da nublado la radiacin es prcticamente
difusa, mientras que en uno soleado es directa.
Inclinacin de la superficie respecto al plano horizontal, una superficie
horizontal recibe la mxima radiacin difusa y la mnima reflejada.
Presencia de superficies reflectantes, las superficies claras son las ms
reflectantes por lo que la radiacin reflejada aumenta en invierno por el efecto
de la nieve.
1.5.3 Movimiento del Sol.
El Sol dibuja trayectorias diferentes segn la estacin del ao. En invierno, la altura del
Sol es inferior a la altura de verano como se puede observar en la imagen 1.13, lo que
hace que las sombras que producen los objetos (casas, edificios, rboles, etc.) sean
diferentes en unas estaciones que en otras. Para conocer el movimiento del Sol se
utilizar un sistema de coordenadas con dos ngulos, que permite saber en cada
momento donde se encuentra.
Altura solar, es el ngulo formado por la posicin aparente del Sol en el cielo
con la horizontal del lugar.
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Introduccin a la energa
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Azimut solar, es el ngulo horizontal formado por la posicin del Sol y la
direccin del verdadero sur.
Para obtener el azimut y la altura solar, se utilizan unas tablas que definen dichas
coordenadas en funcin del da del ao, de la hora solar y de la latitud, con las que se
puede saber la posicin del Sol en cada momento lo que permite calcular las sombras
que producen los objetos en determinados momentos, o puede ayudar a programar un
sistema de seguimiento solar. Para conseguir la mayor produccin de una instalacin
interesa que los paneles solares estn en todo momento perpendiculares a los rayos
solares.
Imagen 1.13 Movimientos del Sol.
1.6 Energa solar fotovoltaica.
Consiste en la conversin directa de la luz solar en electricidad mediante un dispositivo
electrnico denominado clula solar. La conversin de la energa de la luz solar en
energa elctrica es un fenmeno fsico conocido como efecto fotovoltaico. La radiacin
solar es captada en los paneles fotovoltaicos generando energa elctrica en forma de
corriente continua. La tecnologa fotovoltaica permite realizar instalaciones que alimenten
sistemas alejados de la red de distribucin. En las instalaciones conectadas a red, esta
energa es transformada en corriente alterna mediante un equipo denominado inversor y
vertida a la red elctrica de distribucin en el punto de conexin.
1.6.1 Aplicaciones.
Generalmente es utilizada en zonas excluidas de la red de distribucin elctrica o de
difcil acceso a ella, pudiendo trabajar de forma independiente o combinada con
sistemas de generacin convencionales. Sus principales aplicaciones son:
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Electrificacin de sistemas de bomba de agua, repetidores de TV y telefona,
etc.
Electrificacin de edificios aislados, pequeo alumbrado, pequeos
electrodomsticos.
Alumbrado pblico, aparcamientos, reas de descanso, etc.
Balizado y sealizacin martimo, viales, antenas, etc.
Conexin a la red elctrica de pequeas, medianas y grandes centrales
elctricas, que permiten disminuir las prdidas en la red o permiten
beneficiarse de ella econmicamente.
sta ltima aplicacin es la que est generando actualmente el mayor desarrollo de esta
energa, ya que se vende la energa vertida a la red con un precio muy atractivo y por
ello se estn haciendo grandes inversiones.
1.6.2 Ventajas e inconvenientes.
Son mltiples las ventajas de la energa solar fotovoltaica frente los inconvenientes.
Ventajas.
No produce polucin ni contaminacin ambiental.
Silenciosa.
Tiene una vida til Superior a 25 aos.
Resistente a condiciones climticas extremas: granizo, viento, lluvia, etc.
Distribuida por todo el mundo.
No requiere mantenimiento complejo (limpieza del mdulo y estado bateras).
Se puede aumentar la potencia instalada.
No consume combustible.
Inconvenientes.
Impacto visual negativo si no se cuida su integracin en el ambiente.
Para instalaciones autnomas que precisan de sistemas de acumulacin
(bateras) que contienen agentes qumicos peligrosos.
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1.6.3 Situacin del sector fotovoltaico: (UE/Espaa).
En estos momentos los compromisos del Protocolo de Kyoto de reduccin de emisiones
de gases de efecto invernadero conllevan no slo un mayor uso eficiente de la energa
sino tambin el impulso de las energas renovables. Con el objetivo de buscar estos
mismos propsitos en 1999 Espaa aprob el Plan de Fomento de las Energas
Renovables, que establece mecanismos no solo de eficiencia y ahorro de energa para
reducir el consumo energtico sino tambin para conseguir que las energas renovables
alcancen el 12 por ciento en la demanda de la energa primaria en el 2010. Esta cifra es
una de las finalidades establecidas por el Libro Blanco de la Comisin Europea respecto
al consumo de energas renovables. Si se consigue una mayor implantacin, las energas
renovables nos ofrecern la ventaja de no hipotecar nuestro futuro medioambiental y
continuar garantizando nuestro consumo.
Desde el Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa (IDAE) se asegura que
Espaa, gracias a su emplazamiento geogrfico, dispone de una privilegiada radiacin
solar y cuenta, por tanto, con un enorme potencial para el aprovechamiento energtico
de este recurso que nos proporciona la Naturaleza. Se estima que nuestro pas recibe
por cada metro cuadrado de suelo unos 1500 kilovatios-hora de energa cada ao. Un
panorama inmejorable y prueba de ello son las innumerables instalaciones que se estn
llevando a cabo en nuestro pas.
La generacin de electricidad con energas renovables super en el ao 2007 a la de
origen nuclear, con una generacin de 61.951 gigavatios/hora (GWh), lo que supuso el
19,8% de la produccin elctrica de Espaa, frente al 17,7% de la electricidad de origen
nuclear, segn datos avanzados del IDAE en la presentacin del 'Balance Energtico de
Espaa 2007 y Perspectivas 2008'.
An as, Espaa no es el pas de la Unin Europea con mayor nmero de instalaciones
fotovoltaicas conectadas, sino que es Alemania, pese a que Espaa tiene mejores
condiciones climatolgicas y mayor nmero de horas solares productivas. La potencia
total instalada en Europa durante el ao 2006 se puede observar en la imagen 1.14.
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Imagen 1.14 Potencia instalada en 2006 (MWp).
Y la potencia total acumulada hasta el ao 2006 se puede ver en la imagen 1.15:
Imagen 1.15 Potencia instalada acumulada hasta el ao 2006.
En cuanto a la fabricacin Mundial de Clulas Fotovoltaicas (imagen 1.16), se distinguen
3 grandes potencias, China con 28%, Europa con un 27% y Japn con un 22% de la
produccin mundial. A nivel Europeo, Alemania es la principal fabricante de Clulas con
un 76% de la produccin, mientras que Espaa se sita con un 11% de la produccin
europea.
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Imagen 1.16 Fabricacin mundial y europea de clulas fotovoltaicas.
Con el fin de cumplir y apoyar los objetivos anteriormente descritos, en el cdigo tcnico
de la edificacin (CTE), se recogen las exigencias que los edificios de nueva construccin
(a partir del 2007), dependiendo del uso del edificio, tendrn que cubrir ciertas
necesidades energticas mediante el uso de energas renovables o limpias.
1.6.4 Cdigo Tcnico de la Edificacin (CTE).
El CTE es el marco normativo que establece las exigencias que deben cumplir los
edificios. Entre las exigencias bsicas se encuentran las correspondientes al Documento
Bsico HE Ahorro de Energa, seccin HE-5 que regula la incorporacin de captadores
de energa solar fotovoltaica. En determinados edificios se incorporarn sistemas de
captacin y transformacin de energa solar en energa elctrica por procedimientos
fotovoltaicos para uso propio o suministro a la red.
La potencia mnima exigida depender de:
Zona climtica donde se ubique la instalacin.
Superficie construida.
Tipo de uso del edificio (ver tabla 1.5).
Teniendo en cuenta estos factores, la potencia pico a instalar se calcular mediante la
siguiente ecuacin:
( ) ( )pP kW C A S B
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Siendo:
P = Potencia pico a instalar (kWp).
A y B = Coeficientes de uso (ver tabla 1.6).
C = Coeficiente climtico (ver tabla 1.7 e imagen 1.17).
S = Superficie construida (m2).
La potencia mnima instalada ser de 6,25 kWp, prevaleciendo este valor sobre el
resultado de esta expresin.
mbito de aplicacin
Tipo de Uso Lmite de Aplicacin
Hipermercado 5.000 m2 construidos
Multitienda y centros de ocio 3.000 m2 construidos
Nave de almacenamiento 10.000 m2 construidos
Administrativos 4.000 m2 construidos
Hoteles y hostales 100 plazas
Hospitales y clnicas 100 camas
Pabellones de recintos feriales 10.000 m2 construidos
Tabla 1.5 mbito de aplicacin.
Coeficientes de uso
Tipo de Uso A B
Hipermercado 0,001875 -3,13
Multitienda y centros de ocio 0,004688 -7,81
Nave de almacenamiento 0,001406 -7,81
Administrativos 0,001223 1,36
Hoteles y hostales 0,003516 -7,81
Hospitales y clnicas 0,000740 3,29
Pabellones de recintos feriales 0,001406 -7,81
Tabla 1.6 Coeficientes de Uso.
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Coeficiente climtico
Zona climtica C
I 1
II 1,1
III 1,2
IV 1,3
V 1,4
Tabla 1.7 Coeficiente climtico.
Imagen 1.17 Coeficiente climtico. Ubicacin instalacin.
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Fundamentos fsicos
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2. FUNDAMENTOS FSICOS.
2.1 Efecto fotovoltaico.
La conversin directa de la energa solar en energa elctrica se debe a la interaccin de la
radiacin luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenmeno
conocido como efecto fotovoltaico o efecto fotoelctrico.
Fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887, pero la explicacin terica fue descrita por
Albert Einstein en 1905, en la cual bas su formulacin de la fotoelectricidad. Obtuvo el
Premio Nobel de Fsica en 1921 por este efecto. Este proceso se consigue con algunos
materiales que tienen la propiedad fsica de absorber fotones y emitir electrones, y se
produce con la excitacin de un material semiconductor, como por ejemplo el silicio, por la
incidencia de la radiacin solar, provocando el movimiento de los electrones del material
por el interior del mismo, movimiento que es transformado en corriente elctrica continua
cuando se cierra el circuito.
2.2 Propiedades de los materiales.
La materia est constituida por tomos, que tienen dos partes bien diferenciadas:
Ncleo, formado por protones (carga elctrica positiva) y neutrones (sin carga
elctrica).
Electrones, carga elctrica negativa.
Los electrones giran alrededor del ncleo en distintas bandas de energa y compensan la
carga positiva de ste, formando un conjunto estable y elctricamente neutro. Los
electrones de la ltima capa se llaman electrones de valencia, y se interrelacionan con otros
similares formando una red cristalina como se puede ver en la imagen 2.1, para el caso del
silicio (Si).
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Fundamentos fsicos
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Imagen 2.1 Red cristalina del Silicio (Si).
Por sus propiedades elctricas, existen 3 tipos de materiales:
Conductores. Los electrones de valencia estn poco ligados al ncleo y pueden
moverse con facilidad dentro de la red cristalina con un pequeo agente externo.
Semiconductores. Los electrones de valencia estn ms ligados al ncleo pero
basta una pequea cantidad de energa para que se comporten como conductores
Aislantes. Tienen una configuracin muy estable, con los electrones de valencia
muy ligados al ncleo, la energa necesaria para separarlos de ste es muy grande.
Los materiales ms utilizados en las clulas fotovoltaicas son los semiconductores.
2.3 Materiales semiconductores.
La energa que liga a los electrones de valencia con su ncleo es similar a la energa de los
fotones (partculas que forman los rayos solares). Cuando la luz solar incide sobre el
material semiconductor, se rompen los enlaces entre ncleo y electrones de valencia, que
quedan libres para circular por el semiconductor. El lugar que deja el electrn al
desplazarse se le llama hueco y tiene carga positiva (mismo valor que el electrn pero de
signo cambiado).
Los materiales semiconductores tienen los electrones de su capa de valencia ms ligados al
ncleo, si los comparamos con los materiales conductores, pero al tener la propiedad de
poder absorber fotones, les hace comportarse como si fuesen materiales conductores. Si
manipulamos los materiales semiconductores, insertndoles impurezas, conseguimos
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Fundamentos fsicos
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acelerar el proceso. Para poder elegir el semiconductor idneo, tenemos que tener en
cuenta el ancho de banda prohibido.
El material ms utilizado en la fabricacin de clulas solares es el silicio (Si), que tiene
cuatro electrones de valencia. Para crear un campo elctrico en este tipo de semiconductor
se unen dos regiones de silicio tratadas qumicamente (unin p-n).
2.4 Unin p-n.
El fundamento de la corriente elctrica interna est en la existencia de 2 zonas de
conductividades diferentes denominadas p y n en el material que constituye las clulas.
Estas zonas se logran aadiendo impurezas en el silicio (dopaje del silicio).
Para conseguir un semiconductor de silicio tipo n, se sustituyen algunos tomos del silicio
por tomos de fsforo (P), que tienen cinco electrones de valencia. Como se necesitan
cuatro electrones para formar los enlaces con los tomos contiguos, queda un electrn
libre.
De forma anloga, si se sustituyen tomos de silicio por tomos de boro (B), que tienen tres
electrones de valencia, se consigue un semiconductor tipo p, al formar los enlaces, falta
un electrn, o dicho de otra forma, hay un hueco disponible.
Para conseguir una unin p-n se pone en contacto una superficie de semiconductores
tipo n con la de un semiconductor tipo p.
Los electrones libres del material tipo n, tienden a ocupar los huecos d