Genéricamente, se denomina energía alternativa, o más propiamente fuentes de energía alternativas, a aquellas fuentes de energía planteadas como alternativa a las tradicionales o clásicas.


           No obstante, no existe consenso respecto a qué tecnologías están englobadas en este concepto, y la definición de energía alternativa difiere según los distintos autores.


           En las definiciones más restrictivas, energía alternativa sería equivalente al concepto de energía renovable o energía verde, mientras que las definiciones más amplias consideran energías alternativas a todas las fuentes de energía que no implican la quema de combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo).


           En éstas, además de las renovables, están incluidas la energía nuclear o incluso la hidroeléctrica.



       En la actualidad, los combustibles fósiles presentan fundamentalmente dos problemas.


           Por un lado son recursos finitos, y se prevé el agotamiento de las reservas —especialmente de petróleo— en plazos más o menos cercanos, en función de los distintos estudios publicados.


           Por otra parte, la quema de estos combustibles libera a la atmósfera grandes cantidades de CO2, que ha sido acusado de ser la causa principal del calentamiento global.


           Por estos motivos, se estudian distintas opciones para sustituir la quema de combustibles fósiles por otras fuentes de energía carentes de estos problemas.



          Las ventajas de este tipo de generadores son que permiten la obtención de una elevada potencia en un espacio relativamente pequeño, y que funcionan tanto de día como de noche.


           Sin embargo, hay una gran aleatoriedad a la hora de producir electricidad ya que las corrientes de aire no son constantes y puede haber días en que se genere al máximo de capacidad y días que los molinos estén prácticamente parados.


           Hay varios tipos de aero generadores.


          ---- Los más comunes constan de una torre que parte del suelo quedando sujeto por unos cimientos.


           Así se mantiene una góndola en cuyo interior se encuentran el generador eléctrico, la transmisión o caja multiplicadora y un sistema de refrigeramiento para que no se sobrecaliente el generador.


           Conectado a la góndola se encuentra el buje del rotor al que se le unen las palas y encima de ella normalmente hay un anemómetro y una veleta para conocer la dirección y la velocidad del viento.


           Para explicar cómo funcionan los aerogeneradores, primero hay que explicar de donde proviene la fuerza que les hace funcionar.


           Ésta no viene como normalmente se piensa del viento que se genera cuando hay un gradiente de presiones en la atmósfera, es decir, hay zonas en la atmósfera que están a distinta presión y por ello se genera un movimiento de aire que va de la zona de mayor presión a la de menor.



        Es el viento que se genera en zonas más específicas, bien por diferencias de temperatura (como las brisas marinas que hay por encontrarse el mar y la tierra a diferentes temperaturas), o bien por diferencias de densidades que se producen por ejemplo en las montañas.


           El viento es el que al impactar sobre las palas del molino, que están diseñadas de tal forma que se aproveche esta fuerza al máximo, hace que se muevan.


           Las aspas funcionan de forma similar a como lo hacen las alas de un avión, con el llamado principio de sustentación.


           Cuando una corriente de aire llega, en la cara a barlovento (en la que impacta el viento) se crea una sobrepresión mientras que en la que está a sotavento está a menor presión.


           La diferencia de presión es la que hace que aparezca una fuerza de empuje.




       Esta fuerza de levantamiento es perpendicular a la dirección de la fuerza resultante (la dirección hacia la que se desvía el viento por la forma del aspa).


           Como resultado se transforma la energía del viento en un par mecánico que hace que un eje, como parte del rotor de la turbina, gire.


           Éste llega a una caja multiplicadora y de ahí al generador eléctrico que funciona de una forma similar a la de la dinamo de una bicicleta generando electricidad.


           Una de las energías renovables utilizadas para obtener energia eléctrica más extendida es la que se obtiene de la radiación solar mediante paneles fotovoltaicos.

     

           El funcionamiento reside en los diodos que forman las células fotovoltaicas.


           Estas células están formadas por dos capas de metarial semiconductor:



     ---- Al recibir la luz del sol, el límite entre las dos capas se excita actuando como un diodo, los elecrones se pueden mover de la zona N a la P pero no al revés.


           Los fotones de la luz que inciden sobre la célula con suficiente energía hacen mover un electrón de la zona P a la N creando en la zona N un exceso de carga negativa por los electrones y en la zona P un exceso de huecos (carga positiva).


           Esta diferencia en la cantidad de electrones genera una pequeña diferencia de tensión que es la que aporta la potencia.


           Poniendo varios diodos en serie y luego juntando placas se consigue aumentar la tensión de salida.


           La corriente de salida es de tipo continua y para ser inyectada a la red ha de pasar por unos inversores y así ser transformada en corriente alterna.


           La cantidad de potencia electrica generada depende principalmente de dos factores:


          ---- la radiación que llega a la placa y la eficiencia de la célula fotovoltaica a la hora de transformar la energía solar en energía eléctrica.




        ---- Los paneles foto- voltaicos producen electricidad incluso en los dias nublados ya que sigue incidiendo radiación sobre la célula foto-voltaica.


           La energía termoeléctrica (o también comúnmente llamada energía solar concentrada, aunque es un nombre un poco genérico) es otra forma de utilizar la radiación recibida por el sol distinta a como la usan los paneles foto-voltaicos para producir electricidad.


            De esta forma, las centrales que usan este método de transformación de la radiación solar pueden recibir el nombre de centrales termoeléctricas, centrales termosolares o centrales solares térmicas concentradas.


           En este caso el mecanismo de funcionamiento consiste en concentrar la luz recibida por un emplazamiento a un punto fijo.


           Esto se consigue colocando espejos que estén orientados de tal forma que con su ángulo de reflexión la luz rebote hacia el punto que queremos.


           Una vez que la luz queda concentrada en un punto, este calienta dependiendo del tipo de central que se trate aire,vapor de agua, aceite o sales fundidas, de tal forma que si el fluido que se calienta es el agua se puede utilizar para mover las turbinas de un ciclo termodinámico (como por ejemplo en una central térmica de carbón que se utiliza el carbón para calentar agua).

       Este ciclo consiste en calentar un fluido aumentando su presión y temperatura para mover las turbinas encargadas de generar electricidad para luego posteriormente pasar por un condensador en el que se disminuye la presión y poder iniciar de nuevo el ciclo.


           Si se usa otro fluido luego tiene que haber un intercambiador donde se traspase la energía calorífica al agua y ya poder iniciar el ciclo.


      Conceptos aplicados


           El sol puede considerarse a efectos de radiación, como un cuerpo negro que esta a 5777 K a nivel de la atmósfera.


           Por efectos atenuativos de la atmósfera, a nivel superficial se puede considerar un cuerpo negro hasta de unos 3000-2000 K según las condiciones globales.


           La base del funcionamiento se centra en convertir esta radiación en energía térmica para calentar un fluido.


           El elemento encargado de esto es el colector.

        ---- Este puede alcanzar unas temperaturas elevadas y por ello tener unas perdidas bastante apreciables que son proporcionales al área del colector y a la cuarta potencia de su temperatura.


           Esto hace necesario reducir al máximo el área del colector y de ahí que aparezca otro elemento llamado concentrador encargado de reflejar la radiación a un punto o un área mas pequeña que la inicial.


           El problema a la hora de reflejar esta radiación es que el sol no es un punto sino que se tiene que considerar un disco con un ángulo de incisión de 32′. Esto conlleva a que en la reflexión, la radiación queda reflejada en una región y no como un punto y limita el ratio de concentración máxima.


           Hay varias formas de concentrar los rayos del sol, cada una de ellas con distintos ratios de concentración:


          ---- El de los colectores planos como los que hay en las casas sería de uno, espejos cilindrico-parabólicos con un ratio de 70 aproximadamente, centrales termo-solares de torre que tendrían un ratio de 800, el de un disco parabólico estaría en torno a 5000 y por último se encontrarían los hornos solares con un ratio de más de 10000.


           Una ventaja añadida que tienen las centrales que usan este tipo de energía es que permite crear sistemas híbridos solar-combustibles fósiles que permiten incrementar los rendimientos.


          Otra más es que se puede almacenar el fluido calentado en grandes contenedores que permiten mantener en funcionamiento a las centrales  en momentos que no hay radiación solar directa.


           La energía de estas centrales proviene de la conversión de la energía potencial que hay acumulada en el agua al haber una diferencia de altura entre el nivel superficial y la base de la presa donde esta ubicada la central.


           Este agua almacenada se hace pasar por unos conductos transformando así la energía potencial en cinética con la que el agua consigue alcanzar grandes velocidades para ser capaz de mover unas  turbinas que hay en la presa.


           Estas turbinas tendrán un tamaño que dependerá de lo caudaloso que sea el cauce del río y del agua que la presa sea capaz de hacer pasar por los conductos para hacerlas girar.


           Según como sean de grandes, al estar conectadas a un generador serán capaces de producir una mayor o menor potencia eléctrica.



Clases de centrales hidroeléctricas:


          1.    Centrales de regulación del caudal. Disponen de una embalse que almacena agua a nivel alto y el caudal se elige a voluntad.


          ---- Pueden generar electricidad todo el año, incluso con río seco, salvo agotamiento del agua embalsada. Son costosas aunque el kWh producido suela resultar barato.


      ---- Con central a pie de presa: desniveles medianos


      ---- Con derivación: grandes desniveles por uso de una tubería forzada


          2.    Centrales de bombeo.


          ---- Disponen de dos embalses a distinto nivel, lo que permite turbinar del alto al bajo y bombear del bajo al alto, consumiendo electricidad cuado ésta sobre (noches) resultando barata.


          ---- Es un sistema de almacenamiento y se suelen llamar “reversibles”.


        3.    Centrales de agua fluyente. Se acepta el caudal tal cual viene, quizás con un pequeño embalsamiento.


          ---- Los colectores solares se pueden clasificar en base a varios parámetros. La primera de ellas puede ser en función del fluido térmico que utiliza.


          ---- Los colectores pueden utilizar un líquido o un gas para transferir el calor. Los líquidos más frecuentes son el agua, una disolución anticongelante o un aceite térmico.


          ---- El gas que se suele utilizar como fluido térmico es el aire.


          ---- Otra clasificación es por el rango de temperatura de trabajo, que va íntimamente relacionado con los componentes básicos que compongan el colector.


          ---- Así pues se pueden organizar de esta forma:


         ---- Colectores de baja temperatura de trabajo (alcanza un máximo de 50ºC).


           Éstos están formados únicamente por el convertidor (también denominado absorbedor), por el circuito de fluido térmico, por el aislamiento térmico y por la caja que contiene todos los componentes.

         Este tipo de colector también recibe el nombres de captador solar plano no protegido


          ---- Colectores de media temperatura (alcanza un máximo de 90 ºC).


          ---- Estos colectores, además de incluir todos los componentes del colector de baja temperatura, se le añade una cubierta transparente para limitar las pérdidas por convección y una parte de las de radiación.


          ---- Además se incrementa el efecto invernadero dentro del colector.


           Gracias a esto se consiguen alcanzar mayores temperaturas en el seno del fluido.


          ---- Colector de alta temperatura (hasta 150 ºC como máximo).


          ---- La siguiente evolución en los colectores consiste en añadir otra cubierta entre la anterior y el convertidor y hacer vacío entre las dos.


          ---- Así se consigue un mayor aislamiento de entre el exterior y el interior y que se alcancen temperaturas aún mayores.


     Convertidor


           En caso del colector de líquido el convertidor se compone de placa absorbente y conductos de fluido térmico.


          ---- En el caso del colector de aire  el convertidor es la placa absorbente.


          ---- La placa absorbente intercepta la radiación solar que deja pasar la cubierta y la transforma en calor.


          ---- En los colectores sin cubierta la radiación alcanza directamente, a través del aire contenido en el conducto, la placa absorbente.


          ---- En los colectores de líquido el convertidor está constituido por una placa plana en la que se han insertado una red de conductos por las que circula el fluido térmico.


          ---- Al chocar la radiación con la placa se transforma en calor.


          ---- Este calor se transfiere después al fluido térmico que circula por los conductos.


          ---- Los materiales más usados son para construir la placa y sus conductos son el cobre y el acero inox¡dable. En los colectores de aire no es necesario insertar conductos porque el fluido térmico circula por el espacio comprendido entre la placa plana y la cubierta.


     Si el fluido circula por una única tubería que lo distribuye por toda la placa se denomina en serie (como un serpentín).


           Si existen dos conductos, uno de entrada y otro de salida que se conectan con unos cuantos tubos que circulan por la placa, se denomina en paralelo.


          La radiación interceptada por la cubierta  se transmite y alcanza la placa absorbente del convertidor, transformándose en calor. Como es sabido, el cuerpo que absorbe más radiación es el cuerpo negro.


           Por lo tanto es conveniente que la cubierta tienda a comportarse como un cuerpo negro para así aumentar su capacidad de absorción de la radiación. Esto se tiene en cuenta al elegir el tipo de recubrimiento del convertidor para que su coeficiente de absorción ? sea del orden de 0,9-0,95.


           Debido a que la placa del convertidor alcanza temperaturas ligeramente altas, se convierte en emisora de radiación que es energía perdida.

          Para minimizar estas pérdidas y para aumentar la absorción de radiación, se usan los denominados recubrimientos selectivos que suelen estar formados  por una capa delgada de óxido metálico, de color negro, con baja emisividad de radiación térmica y gran coeficiente de absorción.


           La superficie selectiva con mejores resultados se ha desarrollado depositando una capa de níquel sobre el absorbedor y sobre ésta una capa de óxido de cromo extremadamente fina. El coeficiente de absorción de las superficies selectivas ronda el 0,95 y el de emisividad 0,1.

   Circuito de fluido


           El fluido circulante ha de estar directamente en contacto con el absorbedor, de forma que la transferencia de calor desde la placa al fundir se realice en las mejores condiciones.


           El “circuito” que sigue el calor hasta llegar al fluido térmico debe ser lo más corto posible y debe encontrar la menor resistencia posible. La radiación se convierte en calor al ser interceptada por la superficie captadora y la temperatura del convertidor aumenta hasta hacerse mayor que la temperatura del fluido.


           El calor se propaga siguiendo el gradiente de temperaturas: primero a través de la placa del convertidor hasta alcanzar la zona de unión entre la placa y la tubería que conduce al fluido.


           La unión entre la tubería y la placa debe tener continuidad metálica (normalmente por soldadura), si no la transferencia de calor puede verse perjudicada y podría ser con convección en vez de conducción ya que se genera una resistencia térmica mayor y se dificulta la transferencia de calor desde la placa al tubo.

 Aislante termico


           Al encontrarse el convertidor a una temperatura superior a la del ambiente, se transfiere de forma espontánea calor a la atmósfera. La emisión de calor por la cara que recibe la radiación es mitigada por el efecto invernadero.


           Para reducir la emisión de calor por la cara posterior se instala una lámina de asilamiento térmico , de 4 cm o 5 cm de espesor, entre la cara posterior y la caja. El aislamiento cumple la función de disminuir las pérdidas de calor desde el convertidor hasta el ambiente que lo rodea.


           La capacidad para impedir que el calor se fugue depende de las propiedades físicas del aislante.


          Las principales son:


          ---- conductividad térmica, densidad aparente, comportamiento ante la humedad, estabilidad térmica, etc.


          ---- Un aislante muy utilizado es la fibra de vidrio, que aguanta bien las altas temperaturas y es económico, pero no aguanta bien la humedad.


Caja


           La caja aloja el conjunto de componentes que constituyen el colector. Su función principal es asegurar la estanquidad del colector ya que si no podría originar pérdidas por fugas de calor y también impedir que entre humedad si hay componentes que se dañen con ella.


           Además se evita el contacto con contaminantes que puedan corroer el entrar en contacto con el convertidor. Si hay humedad dentro, puede empañar los cristales haciendo disminuir la transmitancia de los cristales y reduciendo el flujo de radiación disminuyendo con ello el rendimiento del colector.


          La caja tiene que aguantar las condiciones corrosivas a las que es sometido por parte de la atmósfera. Ha de ser duradera y soportar el paso del tiempo con el mínimo deterioro posible. Suele ser de acero galvanizado con tratamiento de anodizado.


           La cubierta la poseen los colectores de media y alta temperatura pero no los de baja:

Cubierta


          La cubierta del colector es transparente y cumple una doble misión. La primera, atenuar las pérdidas de calor del convertidor impidiendo, en lo posible, el paso de la radiación que éste emite; la segunda, evitar que el aire exterior esté en contacto con el convertidor  provoque pérdidas por conveción.


           La atenuación de las pérdidas de calor por radiación desde la superficie del absorbedor puede lograrse aprovechando el “efecto invernadero”. Este efecto se consigue al crearse dos ambientes: uno interior, cerrado por la superficie transparente de vidrio, también puede utilizarse el plástico, y otro exterior.


           La radiación solar que llega del exterior se transmite a través de la superficie transparente y se propaga hasta el recinto interior, donde es interceptada en la superficie del convertidor. Al chocar la radiación se transforma en calor y la placa eleva su temperatura.


           Al aumentar su temperatura la placa absorbente emite radiación en una longitud de onda mayor , con menor energía , y esta radiación interior no se transmite al exterior a través de la cubierta transparente.


           En consecuencia queda atrapada entre la placa y la cubierta, efecto pretendido que facilita la transmisión de la radiación solar pero no permite  la transmisión de la radiación de origen térmico desde la placa hacia el exterior.


           Las cubiertas pueden ser de vidrio o de plástico aunque este último material tiene el inconveniente de perder sus propiedades ante los rayos ultravioleta y de ser blando que permite su fácil rayado. Las ventajas son que es más barato y ligero.

          La distancia aconsejable entre el absorbedor y la cubierta es de 25-40 mm. El problema del vidrio es su fragilidad pero las cubiertas actuales son de vidrio templado que solventan en parte este problema.


           Un vidrio de ventana normal, para un ángulo de incidencia perpendicular, refleja un 10% de la radiación. Un típico cristal de 0,03 m de espesor absorbe entre un 1% y un 5%, siendo el 2% el valor medio. La transmitancia normal para una cubierta es de un 88% , es decir, que deja pasar un 88% de la energía solar incidente.


           Los colectores de alta temperatura poseen varias cubiertas existiendo vacío entre ellas.


          ---- Se consigue disminuir las pérdidas por radiación que emite la cubierta por estar a una temperatura mayor que el ambiente.


          ---- Son más recomendables para emplazamientos en climas fríos, sometidos a vientos intensos y frecuentes, pero no para climas templados.