Actividades prácticas y recursos sobre Energías Renovables
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- Carolina Iglesias Padilla
- hace 6 años
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1 Curso Recursos y Experimentos de Física para Educación Secundaria 15 enero 5 febrero de 2015 Actividades prácticas y recursos sobre Energías Renovables Dr. Luis R. Rodríguez Cano Dra. Verónica Tricio Gómez Dr. Rolando Valdés Castro Dpto. de Física; Universidad de Burgos 1
2 FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES: Parte I. Energía fototérmica Parte II. Energía fotovoltaica Parte III. Energía eólica Dr. Luis R. Rodríguez Dpto. de Física; Universidad de Burgos 2
3 Parte I. Fundamentos físicos de la energía fototérmica El origen de la energía solar El sol es un reactor de fusión a una temperatura superficial de unos K. La radiación térmica que emite es la correspondiente a un cuerpo negro a esa temperatura, estando comprendida casi por completo en el intervalo. Espectro de la radiación electromagnética Dpto. de Física; Universidad de Burgos 3
4 Energía del fotón: E = hν = hc / λ ( h = 6,63x Js ) Región visible Longitud de onda: 0,37 µm λ 0,78 µm Energía: 3,4 ev E 1,6 ev (1eV = 1, J ) Rango solar Rango térmico λ(µm) 0,37 2,0 2,0 20 E (ev) 3,4 0,6 0,6 0,06 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 4
5 Leyes de la radiación Ley de Stefan Boltzmann Ley de Wien del desplazamiento Cuerpo no negro, emisividad Ley de Kirchhoff: en el equilibrio térmico se verifica: Dpto. de Física; Universidad de Burgos 5
6 Masa de aire The ASTM G-173 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 6
7 Sistemas térmicos solares La irradiancia MA 1,5 representa una potencia muy diluida. Un Cuerpo Negro interaccionando con esta radiación alcanza el equilibrio a : E = =σt 4, con lo que T resulta 364,4 K (91,3 ºC) Esta temperatura es adecuada para calefacción y agua caliente sanitaria, pero es insuficiente, en general, para la generación eléctrica. Clasificación de los sistemas térmicos solares Bajas temperaturas: T<100ºC Temperaturas medias: 100 < T< 400ºC Altas temperaturas: T > 400ºC Dpto. de Física; Universidad de Burgos 7
8 Bajas temperaturas. Colector plano La superficie captadora es un absorbente negro pintado sobre una base metálica. Corte de un colector plano Modelo tubo-aleta Dpto. de Física; Universidad de Burgos 8
9 Balance de energía y eficiencia del colector donde F R es el factor de eliminación de calor del colector; α la absortancia de la superficie captadora; τ la transmitancia de la cubierta; U C la conductancia de pérdidas; y T e y T a las temperaturas a la entrada del colector y ambiente, respectivamente; e I la irradiancia sobre el colector. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 9
10 Temperaturas medias y altas En general la eficiencia térmica de un sistema de conversión de la energía aumenta con la temperatura del foco caliente. En el caso de la energía solar, la elevación de la temperatura de trabajo por encima de la de equilibrio del cuerpo negro exige sistemas de concentración con seguimiento solar y superficies selectivas trabajando en vacío. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 10
11 Concentración por reflexión Dpto. de Física; Universidad de Burgos 11
12 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 12
13 Concentración por refracción Dpto. de Física; Universidad de Burgos 13
14 Seguimiento solar Semiángulo de aceptancia máxima y posiciones relativas del sol Dpto. de Física; Universidad de Burgos 14
15 Superficies selectivas Dpto. de Física; Universidad de Burgos 15
16 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 16
17 Sistemas solares térmicos Concentrador tipo Fresnel (Ciclo de Rankine) Dpto. de Física; Universidad de Burgos 17
18 Centrales tipo torre Campo norte Campo central Detalle del campo de heliostatos (Ciclo de Brayton) Dpto. de Física; Universidad de Burgos 18
19 Parte II. Fundamentos físicos de la energía fotovoltaica Concepto de barrera de potencial Dpto. de Física; Universidad de Burgos 19
20 Teoría de bandas en los sólidos Bandas de energía Bandas de energía en el magnesio Cuando la banda externa no está completamente llena se denomina banda de conducción; si está completamente llena de denomina banda de valencia. En este caso la banda vacía inmediatamente superior a la de valencia es la de conducción. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 20
21 Metales; aislantes; y semiconductores Una propiedad interesante de los sólidos es su conductividad eléctrica. Los metales son sustancias que tienen cuya banda externa no está llena. Debido a la excitación térmica los electrones pueden ganar cantidades de energía del orden de kt a temperatura ambiente y pasar a estados vacíos dentro de la banda. Bajo la acción de un campo eléctrico estos electrones ganan momento lineal en sentido opuesto al campo lo cual origina un movimiento colectivo en la banda de conducción a través del cristal lo que constituye la corriente eléctrica. Si la banda externa está completa el movimiento de los electrones bajo la acción de un campo no es,en principio, posible. Este es el caso de los aislantes y de los semiconductores. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 21
22 Esquema de bandas del C; Si; y Ge El salto de energías entre las bandas de valencia y de conducción a la distancia de equilibrio es de 5 ev para el carbono; 1,1 ev para el silicio y 0,7 ev para el Ge. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 22
23 Semiconductores Diagrama de bandas de un semiconductor Dpto. de Física; Universidad de Burgos 23
24 Semiconductores impurificados Se puede mejorar la conductividad de un semiconductor añadiendo ciertos tipos de impurezas. Si al silicio o al germanio, que contribuyen con 4 electrones por átomo a la banda de valencia les añadimos átomos de fósforo o de arsénico, cada uno de los cuales contribuye con 5 electrones por átomo a esta banda, tendremos un electrón extra por átomo de impureza. Estos electrones, que no pueden acomodarse en la banda de valencia de la red original, ocupan niveles discretos de energía inmediatamente debajo de la banda de conducción. La separación resulta de unas décimas de ev. Estos electrones en exceso se liberan fácilmente de la impureza a temperatura ambiente y se excitan hasta la banda de conducción, contribuyendo así a la conductividad del semiconductor. Tales impurezas se denominan donantes y el semiconductor impurificado con ella se denomina de tipo n o negativo. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 24
25 Semiconductor tipo n (P; As) Dpto. de Física; Universidad de Burgos 25
26 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 26
27 El efecto fotovoltaico p n La unión pn Barreras en la unión Dpto. de Física; Universidad de Burgos 27
28 Corriente de diodo. Recombinación: corriente de huecos I 1 Generación térmica: corriente de huecos I 2 En el equilibrio I 1 = I 2 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 28
29 La unión pn iluminada Supongamos ahora una unión pn iluminada por el lado n, como se ilustra en la figura. p n Unión pn iluminada con radiación solar Dpto. de Física; Universidad de Burgos 29
30 La densidad de corriente I generada en el dispositivo es donde I L es al corriente de iluminación e I O la de oscuridad. Ésta última es la corriente de recombinación. Se obtiene así la ecuación carácterística : Donde para el silicio I 0 puede tomarse como A cm -2. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 30
31 Característica I-V de iluminación Dpto. de Física; Universidad de Burgos 31
32 La célula solar Esquema de una célula de silicio convencional Dpto. de Física; Universidad de Burgos 32
33 En condiciones normalizadas de operación : irradiancia de 1 kw m -2 (MA = 1,5); incidencia normal; a una temperatura de 25 ºC, una célula proporciona una potencia de 140 W m -2 (28 ma cm -2, a 0,5V). El rendimiento es: Dpto. de Física; Universidad de Burgos 33
34 Estación espacial internacional. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 34
35 Parte III. Fundamentos físicos de la energía eólica Además de las fuerzas de gravedad y de presión, sobre una masa de aire en movimiento actúan otras fuerzas: las viscosas o de fricción; la de Coriolis; y la centrífuga en movimientos curvilíneos. Las dos últimas son fuerzas de inercia debidas a la rotación terrestre. La influencia de cada una de estas fuerzas sobre el viento atmosférico difiere dependiendo de la escala de movimiento considerada. Para grandes radios de curvatura y a gran altura, las fuerzas centrifuga y viscosa son prácticamente despreciables. Con todo ello, en el movimiento horizontal de las masas de aire a gran altura consideraremos, en principio, únicamente la fuerza de presión y la de Coriolis. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 35
36 Región de baja presión Viento geostrófico resultante El movimiento se inicia por el gradiente de presión Región de alta presión Ilustración del viento geostrófico en el hemisferio norte Dpto. de Física; Universidad de Burgos 36
37 Borrasca o circulación ciclónica en el hemisferio norte. Dpto. de Física. Universidad de Burgos 37
38 Vientos de gradiente Huracanes Igor-Julia Karl Ciclón tropical en el Atlántico Sur. Catarina.- Brasil-2004 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 38
39 La potencia del viento. Límite de Betz Corte esquemático de un aerogenerador Dpto. de Física; Universidad de Burgos 39
40 El comportamiento del rotor se caracteriza generalmente por su coeficiente de potencia, C P Este coeficiente representa la fracción de la potencia del viento transferida al rotor. El cálculo del valor máximo del coeficiente de potencia da como resultado (límite de Betz) Dpto. de Física; Universidad de Burgos 40
41 Flujo viscoso. Capa límite Se define la capa límite como la región en la que la velocidad del fluido (paralela al contorno del cuerpo) es menor que el 99% de la velocidad de la corriente libre. El espesor de la capa límite se incrementa desde el borde de ataque a lo largo del contorno del cuerpo. Flujo viscoso alrededor de un cilindro Dpto. de Física; Universidad de Burgos 41
42 Desprendimiento de la capa límite en dos perfiles por la variación del ángulo de ataque (entrada en pérdida) Dpto. de Física; Universidad de Burgos 42
43 Fuerza de sustentación o de elevación Un flujo de aire sobre la pala de un aerogenerador produce una distribución de fuerzas superficiales sobre la misma. La velocidad del fluido se incrementa sobre la superficie convexa, extradós o lado de succión de la pala, respecto de la superficie cóncava, intradós o lado de presión, dando como resultado una fuerza ascensional. El resultado de las fuerzas de presión se puede reducir a una resultante con dos componentes ortogonales, la fuerza de sustentación y la fuerza de arrastre. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 43
44 La fuerza de sustentación, definida como perpendicular a la dirección del flujo incidente, es consecuencia de la diferencia de presiones ya citada Dpto. de Física; Universidad de Burgos 44
45 Coeficientes de sustentación y de arrastre Son importantes los coeficientes de sustentación y de arrastre: C s y C a, respectivamente, para caracterizar las palas del rotor.. donde c es la longitud de la cuerda, A el área de la pala (cuerda por envergadura) y l la envergadura. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 45
46 Dpto. de Física; Universidad de Burgos 46
47 Máquinas de arrastre La fuerza de arrastre, F A sobre la pala, es función de la velocidad relativa del viento en el rotor o diferencia entre la velocidad del viento libre, v, y la velocidad de la pala : donde A es el área de la pala. La potencia del rotor es el producto de la fuerza de arrastre sobre la pala por la velocidad de la misma Dpto. de Física; Universidad de Burgos 47
48 Máquinas de sustentación Las fuerzas en las máquinas de sustentación son función de la velocidad relativa y del coeficiente de sustentación Una diferencia importante entre las máquinas de sustentación y las de arrastre es que la velocidad relativa es mucho mayor en las primeras que en las segundas, y significativamente mayor que la del viento libre. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 48
49 Aerogeneradores. Instalación terrestre. Dpto. de Física; Universidad de Burgos 49
50 GRACIAS POR SU ATENCIÓN Dpto. de Física; Universidad de Burgos 50
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