Energía verde

I.INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes teóricos

Actualmente la generación de energía eléctrica a nivel mundial y en nuestro país es por medio de combustibles dando a cabo una gran contaminación por los desperdicios o productos de los procesos que estos expiden a la atmósfera y sobre todo en los últimos años los precios de producción y de venta de energía eléctrica se han elevado, todo esto lleva a la búsqueda de nuevas alternativas de producción de electricidad dando énfasis al uso de energías verdes.

Energía verde es un término utilizado para describir la energía generada a partir de fuentes primarias respetuosas con el medio ambiente; las energías verdes son energías renovables que no contaminan, esto quiere decir que no emiten residuos que puedan contaminar el medio ambiente.

Una forma de energía verde utilizada desde tiempos remotos es el sol ya que irradia 174, 423, 000, 000,000 Kwh de energía por hora hacia la tierra, un aprovechamiento de la energía irradiada por el sol y quizá la más importante para la vida es el proceso que se lleva a cabo en la gran mayoría de las plantas y este proceso es llamado fotosíntesis; otra forma de aprovechar la energía del sol es por medio de hornos solares, calentamiento del agua, iluminación, secado, evaporación, en centrales térmicas, huertas solares, acondicionamiento y ahorro de energía en edificaciones ya sea como ventilación, aire acondicionado, energía para pequeños electrodomésticos, calentamiento del agua, también se aprovecha esta energía emitida por medio de paneles solares para producir voltaje aunque estos paneles están en pleno desarrollo puede ser una fuente viable como energía verde.

Las formas de obtener energía termo solar son por medio de centrales termo eléctricas solares, hornos solares, colectores solares ya sea para calentar líquidos o gases, secado o para producción de energía mecánica.

Las centrales termo eléctricas solares dieron su origen en los años de 1980 dando así sus primeras dos categorías, las centrales de torre y las centrales de cilindros parabólicos.

Las centrales de torre, también conocidas como sistema de receptor central, se encuentra compuesta por un sistema concentrador o campo heliostatos que por lo general se encuentra mondado sobre la parte superior de una torre, en esta parte de la torre es donde se produce la conversión de la energía radiante en energía térmica, el fluido de trabajo puede ser, entre otros, aire, vapor de agua, sodio fundido o sales fundidas, según la tecnología escogida y para obtener la energía luminosa se utilizan heliostatos o bien paneles que reflejan y concentran la energía radiante en un solo punto como se muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1: Esquema de funcionamiento de central de torre.

Otro tipo utilizado y ya mencionado son las centrales de cilindro parabólico, la diferencia entra el tipo de central anterior, es bien, este no utiliza un punto donde concentrar toda la energía radiante, en lugar de heliostatos estos emplean espejos parabólicos, donde se concentra la energía radiante a lo largo de un tubo calentando el contenido del tubo en este caso un fluido como se muestra en la figura 1.2; el proceso para generación de energía es igual que la central de torre donde se mueve una turbina y en consecuencia un generador para la producción de energía eléctrica, esto a causa del ciclo térmico del fluido o gas a calentar.

Figura 1.2: Esquema de funcionamiento de centrales de cilindro parabólico.

En las últimas dos décadas se ha implementado un nuevo sistema para la producción de energía eléctrica por medio de energía termo solar, utilizando una vieja tecnología ya utilizada, esta utiliza un motor Stirling para hacer la conversión de energía térmica a energía mecánica, el principio de funcionamiento de este sistema consta de un espejo parabólico que concentra la energía radiante en un punto, esto para calentar un gas o fluido que por su ciclo térmico provocara la el accionamiento del motor Stirling que a su vez se encuentra acoplado a un sistema de transmisión para aumentar las revoluciones, la transmisión será acoplada a un generador todo este sistema se encuentra acoplado justamente en el área focal del espejo como se puede apreciar en la figura 1.3.

Figura 1.3: Esquema de de un espejo parabólico con motor Stirling en el foco.

El espejo parabólico –disco- realiza seguimiento solar continuado, de manera que los rayos solares son reflejados en su plano focal, obteniéndose así un mapa de energía solar concentrada, de forma gaussiana y varias decenas de kW.

Las primeras plantas instaladas fueron puestas en marcha alrededor de 1992 en la Plataforma Solar de Almería (inicio de operación 1980), la PSA está situada en el sudeste de España en el desierto de Tabernas a 37°05´27,8´ Latitud Norte y 2 21´19´ Longitud Oeste, esta localización de la plataforma solar recibe una insolación directa anual por encima de los 1.900 kWh/m2-año y la temperatura anual está en torno a los 17°C.

Ahora bien para el estudio sobre posibles instalaciones de este tipo en nuestra región se debe de tener un buen promedio de insolación directa o bien energía radiante, debido a la localización de nuestra región en una zona semidesértica y desértica por lo cual cuenta con un desierto; por lo tanto es factible la utilización de esta tecnología en nuestra región ya que en el estado de Sonora se cuenta con un promedio de radiación solar de alrededor de 6 a 9 KWh/m2/día; en la siguiente figura 1.4 se muestra un mapa de la republica Mexicana donde se expone las zonas con su valor aproximado de radiación solar.

Figura 1.4: Mapa de la republica Mexicana donde se muestran las zonas con mayor índice de radiación solar.

Con el uso de este sistema de espejo parabólico utiliza una tecnología muy bien conocida para el uso de la energía mecánica, que en este es el motor Stirling.

El motor Stirling fue inventado en 1816 por el reverendo Escocés Robert Stirling (1790-1878), el motor patentado funcionaba con aire caliente y el objetivo de su diseño en un principio era simplificar las maquinas de vapor debido a que mucha gente moría o quedaba mutilada debido a la explosión de las maquinas de vapor a presiones altas, durante las épocas de esplendor de las máquinas de vapor en el siglo XIX, centenares de motores Stirling se utilizaron para bombeo de agua y otras aplicaciones, lograban una potencia de 0.1-4kw, si bien eran seguros y silenciosos tuvieron al fracaso para las configuraciones de gran potencia, en consecuencia el desarrollo de los motores de combustión interna (MCI) a partir de la mitad del siglo XIX, la mejora de la refinación de los motores eléctricos a principios del siglo XX permitieron relegar a los motores Stirling debido a la industrialización en la figura 1.4 se muestra el esquema del motor que patento Robert Stirling donde un gran cilindro A es calentado en su parte superior por el flujo de gases calientes provenientes de la caldera B. el interior del cilindro tiene un pistón de potencia D y un desplazador C. El desplazador es liviano y no conduce fácilmente calor de un extremo a otro. Al medio del desplazador existe un anillo de material capaz de absorber y ceder calor que es el regenerador. Cuando el desplazador se mueve hacia abajo, la mayor parte del aire dentro del cilindro queda en la zona caliente y se expande, empujando el pistón de trabajo D hacia abajo. Aquí se entrega trabajo al exterior y gira el volante. Al suceder esto, una serie de bielas mueven el desplazador hacia arriba, desplazando la mayor parte del aire a través del regenerador hacia la zona fría. Allí se enfría el aire, baja la presión y se repite el ciclo.

Figura 1.4: Esquema del motor original utilizado por Robert Stirling.

El principio de funcionamiento de este motor es hecho por la expansión y contracción de un gas, este gas seguía su ciclo térmico al ser enfriado en un foco frio para así dar lugar a la contracción y viceversa para logara la expansión era sometido a un punto o foco caliente, por lo que lleva a la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos. El motor Stirling es el único capaz de aproximarse al rendimiento máximo teórico o bien dicho al rendimiento de Carnot, en lo que se refiere a rendimiento de motores térmicos es una de las mejores opciones para energías renovables en el ramo térmico, pero este tipo de motor conlleva a un rendimiento superior pero en cuanto a potencia del mismo es inferior y el rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.

Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas o isovolumétricos donde este proceso el volumen permanece constante; ΔV = 0. Esto quiere decir que el proceso no realiza trabajo presión-volumen (calentamiento y enfriamiento a volumen constante); y también consta de de dos ciclos de trabajo isotermas donde el volumen sufre una compresión y expansión.

El motor Stirling en ciertas ocasiones cuenta con un regenerador aunque muchas veces no es necesario contar con este, el trabajo del regenerador es darle mayor eficacia en su rendimiento térmico, el regenerador es un intercambiador de calor interno, este tiene como su función principal absorber y ceder calor en el proceso del ciclo termodinámico, este consiste en un medio con capacidad porosa con conductividad térmica despreciable, que contiene un fluido, la ubicación del regenerador hace que divida al motor en dos zonas, una zona caliente y otra zona fría esto quiere decir que el fluido o gas a trabajar se desplazara de la zona caliente

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