Necesidades energéticas y propuestas de instalaciones solares. ENAC0108

2.5. Sistemas abiertos y aislados

En la termodinámica, que es la rama de la física que estudia los estados de equilibrio de la materia y sus transformaciones, se consideran dos posibles sistemas: los abiertos y los aislados. Existe además otro tipo de sistema que se denomina cerrado.

Un sistema abierto sí puede intercambiar materia y energía con el exterior. Se corresponde con una piscina abierta.

Un sistema aislado no puede intercambiar ni masa ni energía con el exterior. Se corresponde con un termo para el café.

Un sistema cerrado solo puede intercambiar energía con el exterior. Se corresponde con una olla a presión cocinando.

2.6. Conservación de la energía

Es cierta aquella afirmación de “la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma” que corresponde al enunciado del primer principio de la termodinámica.

Con este principio se demuestra que la energía siempre se conserva, aunque se transforme de una forma a otra. Cuando un cuerpo está más caliente que otro, el primero cede calor al segundo hasta que los dos se encuentran a la misma temperatura.

Lo esencial en el desarrollo de la tecnología, que utiliza la técnica para crear aparatos que hagan más confortable la vida del ser humano, es la posibilidad de transformar un tipo de energía en otro para adaptarlo a la función de la máquina.

A los seis tipos de energía estudiados hay que sumar otro utilizado desde hace muchos años, la energía hidráulica. Este sistema toma la energía potencial del agua acumulada en un embalse y la transforma en cinética cuando se hace pasar por una tubería de pequeño diámetro. La fuerza del agua hace mover las paletas de una turbina, que a su vez hace girar el rotor del generador eléctrico, transportando esa electricidad hasta los electrodomésticos que se tienen en los hogares y en las máquinas de las industrias.

Este es el ejemplo más claro de transformación de energía mecánica en eléctrica, térmica y radiante. Por ello se considera este séptimo tipo de energía hidráulica como uno solo que se transforma en muchos otros, con la posibilidad además de regular el cauce de los ríos y ser utilizado como reserva de agua, regadío y cría de especies acuáticas.

Nota

La energía nuclear supuso una revolución científica cuando se pudieron ver las consecuencias nefastas que produjo en las personas, tras su utilización en la 2ª guerra mundial en las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

El siguiente esquema representa las diferentes transformaciones que se pueden realizar desde las siete formas de energía consideradas:

Esta transformación de la energía no es gratis, ya que los propios mecanismos de las máquinas que la realizan consumen parte de esa energía. De esta forma, se debe introducir el concepto de rendimiento η, que es variable dependiendo del tipo de máquina utilizada.

Este valor siempre es menor que 1, ya que relaciona el trabajo realizado y la energía suministrada por la máquina.

3. Cálculos

Las necesidades de tipo térmico y eléctrico en las viviendas y en los edificios de viviendas es el primer paso que se debe tener en cuenta a la hora de estimar si una instalación solar va a ser o no rentable, ya que de otra manera la inversión no sería económicamente correcta.

3.1. Conceptos de termodinámica

El primer principio de la termodinámica, se recuerda, es que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma:

Q = ΔE + W

Siendo Q la cantidad de calor o energía que recibe el sistema y ΔE la variación de energía en el sistema (calor o frío), que se calcula con la diferencia entre la energía final (Ef) y la energía inicial (Ei). W representa el trabajo.

ΔE = Ef − Ei = Q − W

En el caso de conseguir que el calor se transforme en trabajo, se producirá un aumento de la temperatura; por ejemplo, en una máquina que se calienta al desplazar sus mecanismos (motor térmico).

En el caso de una máquina frigorífica, empleada para bajar la temperatura ambiente de un recinto, esta se encarga de extraer calor, por lo que la energía interna aumenta, aumentando también la temperatura del gas incluido en el compresor. El trabajo que se tiene es el incremento de temperatura más el calor que se extrae.

W = ΔE + Q

Actividades

6. Escribir un listado de aparatos domésticos empleados para conseguir calor y frío.

3.2. Conceptos de electricidad

En cualquier instalación, normalmente se utiliza la electricidad para el funcionamiento de muchos de sus elementos. El conocimiento básico de las variables que intervienen en la electricidad, tanto de corriente continua como alterna, ayuda a la identificación de los problemas que pudieran aparecer en las máquinas y las instalaciones de todo tipo.

La intensidad, la tensión y la resistencia están unidas por la ley de Ohm, básica en el cálculo de los circuitos eléctricos.

La corriente eléctrica

Es el fenómeno que se produce cuando se desplazan los electrones (e-) libres de un cuerpo que los tiene en exceso (electronegativo) hacia otro cuerpo que tiene menos electrones (electropositivo) cuando estos se encuentran unidos por un elemento conductor.

Como ya se señaló anteriormente, los electrones en el átomo se encuentran realizando trayectorias alrededor del núcleo formado por protones (positivos) y neutrones (sin carga), de modo que, cuando un material se une a otro, el conductor hace de camino para que uno ceda electrones al otro y se consiga el equilibrio entre los dos.

Importante

En cualquier material, el camino para el desplazamiento de los electrones libres a través de él se realiza por los huecos de su composición atómica.

Magnitudes elementales (V, I y R). Ley de Ohm

En cualquier circuito eléctrico, ya se trate de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA), existen tres variables: la tensión (V), la intensidad (I) y la resistencia (R), relacionadas por la ley de Ohm.

La tensión, también llamada diferencia de potencial, es la diferencia de electrones que existe entre dos cuerpos cargados que se ponen en contacto. Un cuerpo estará a más tensión o tendrá mayor potencial cuando el número de electrones libres de los que dispone para abandonarlo hacia otro cuerpo es mayor que el cuerpo a donde llegan.

La unidad de tensión eléctrica es el voltio (V), por lo que tradicionalmente también se denomina voltaje a la tensión de un circuito.

La intensidad es la cantidad de corriente eléctrica que es capaz de circular por un conductor en un tiempo determinado cuando existe una diferencia de potencial entre los dos cuerpos. Siempre estará en función del tamaño de la sección y del material por donde se desplazan los electrones.

La unidad de intensidad eléctrica es el amperio (A).

La resistencia es la oposición que un cuerpo o el conductor que une dos cuerpos opone al paso de los electrones a través de él. Según el material y las dimensiones de la sección, un conductor puede tener mayor o menor resistencia, ya que los huecos que tiene en su estructura dejan más o menos paso a los electrones libres.

La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio, representado por la letra griega omega (Ω).

La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes de tensión, intensidad y resistencia:

Tensión en voltios (V) = Intensidad de corriente en amperios (A) · Resistencia eléctrica del material en ohmios (Ω)

V = I · R

Potencia eléctrica en vatios (W) = Intensidad² (A) · Resistencia (Ω)

P = I² · R

Y también:

Potencia eléctrica en vatios (W) = Tensión (V) · Intensidad (A)

P = V · I

Para una potencia durante un período de tiempo se tiene:

Energía eléctrica = Potencia eléctrica (W) · Tiempo en segundos (t)

Ee = P · t

El voltaje o diferencia de potencial que existe en un circuito eléctrico cerrado depende de la resistencia que el conductor oponga al paso de la intensidad de corriente eléctrica, representada por los electrones libres que realizan el camino.

Aplicación práctica

Está ayudando a su sobrina a realizar una práctica de electricidad para el colegio y necesita comprar una lámpara para un circuito de corriente continua. La pila es de 12 voltios y la intensidad máxima de seguridad permitida en el circuito es de 0,03 amperios.

Calcule la potencia que deberá tener la lámpara y la resistencia que tendrá una vez montada y con el circuito cerrado.

SOLUCIÓN

Potencia eléctrica en vatios (W) = Tensión (V) · Intensidad (A)

P = V · I = 12 voltios · 0,03 amperios = 3,6 W

La potencia eléctrica es: P = I² · R

Despejando el valor de la resistencia (R):

R = P / I² = 3,6 W / 0,03² amperios = 4.000 ohmios (Ω)

Siempre existen las tres magnitudes de tensión, intensidad y resistencia, relacionadas por la ley de Ohm, cuando el circuito se encuentre cerrado o en carga.

Actividades

7. Cuando en su casa enciende y apaga la luz, ¿dónde está la resistencia eléctrica del circuito y por dónde llega a ella la corriente?

Materiales conductores, semiconductores y aislantes

Sabido es que un material conductor es el que permite el paso de la electricidad a través de él. En realidad, todos los materiales son conductores de la electricidad, pero, como cada uno es diferente, unos tienen más facilidad que otros para permitir el paso de los electrones libres.

Está en relación con los movimientos que se producen dentro del mismo cuerpo a nivel atómico, ya que por ejemplo los metales tienen sus átomos más quietos que los que contiene la madera.

De esta forma, un material, por su constitución propia, puede ser conductor, semiconductor o aislante:

1 Un material conductor permite el paso de electrones libres a través de él. Los metales, por su constitución atómica en forma de red, tienen menos movimientos en sus átomos, de forma que existen más huecos por donde los electrones libres pueden circular.

2 Un material aislante tiene sus átomos en continuo movimiento, de forma que no existen tantos huecos para el paso libre de los electrones. La madera y el plástico son algunos ejemplos de materiales aislantes de la electricidad.

3 Un material semiconductor es aquel que puede permitir el paso de los electrones libres a través de él dependiendo de las condiciones de temperatura a la que se encuentre, así como la radiación o la presión a la que esté sometido. El silicio (arena) es el material más utilizado en la electrónica para realizar circuitos en los que se necesita en ocasiones dejar pasar o no la electricidad a través del elemento.

La resistividad, nombrada mediante la letra griega ro (ρ), es la capacidad que tiene cada material de permitir el paso de los electrones a través de él. Varía bastante en cada material, incluso en los metales considerados siempre buenos conductores de la electricidad.

Actividades

8. Realizar de memoria un listado de materiales conductores y no conductores de la electricidad.

Corriente continua y alterna

Existen dos tipos de corriente eléctrica que se definen observando los cambios que se producen en sus variables de tensión y polaridad positiva o negativa.

La corriente continua (CC), también denominada AC, tiene a lo largo del tiempo de utilización siempre la misma tensión, de manera constante.

En la imagen se puede ver que la tensión es siempre la misma durante el tiempo de funcionamiento del circuito, siendo su polaridad positiva.

La corriente alterna (CA), también denominada DC, es la que cambia el valor de la tensión y su polaridad de positivo a negativo y de negativo a positivo de manera instantánea, siendo utilizada en casi todas las aplicaciones habituales en viviendas, edificios, iluminación, etc.

En el gráfico se observa que, durante el tiempo de utilización, la tensión en su avance varía el valor de cero al máximo y del máximo a cero, siendo su polaridad primero positiva y después negativa, describiendo una curva en forma senoidal.

El ciclo T se repite, siendo el número de ciclos por segundo lo que se llama frecuencia, que se mide en hercios (Hz). La corriente alterna en Europa es de 50 Hz, y en América de 60 Hz.

Sabía que...

Existe, además, un tipo de corriente llamada “pulsatoria” que tiene valores constantes de polaridad con picos y valles en su tensión.

El origen de la utilización de la corriente alterna se debe al descubrimiento de las propiedades magnéticas de la electricidad (Oersted), y con las que se puede generar electricidad en las centrales a partir de energía de movimiento mecánico de las aspas de una turbina.

Actividades

9. ¿No siente curiosidad por saber en qué consistió el experimento de Oersted? Cuando lo conozca, nunca lo olvidará. Es sorprendente.

Transformador

Con el transformador se pueden variar los valores de tensión e intensidad de la corriente alterna, consiguiéndose en el devanado del secundario una reducción de la tensión y un aumento de la intensidad, o viceversa, debido a la influencia del núcleo ferromagnético y a la variación del número de espiras que lo envuelven (N1 → N2). Solo se pueden realizar estas variaciones en la corriente alterna (CA), en la que circulan los electrones de un extremo a otro del generador, cambiando su polaridad de manera instantánea cuando el circuito está cerrado.

Definición

Núcleo ferromagnético

Es donde se genera el campo magnético de la electricidad, compuesto de hierro dulce y arrollamiento de hilo de cobre.

El transformador se emplea para reducir la intensidad y subir el voltaje de la electricidad a la salida de la planta generadora, así como para conseguir que en el transporte por la red no se produzcan calentamientos excesivos por el ya conocido efecto Joule. De esta manera, se podrá transportar la electricidad hasta los puntos de consumo, pero habrá que transformarla de nuevo antes de utilizarla, reduciendo su tensión y aumentando su intensidad para conseguir una tensión de 230 voltios, habitual en las viviendas.

3.3. Estimación de necesidades térmicas

En una vivienda unifamiliar, para conseguir el confort en los días de verano y de invierno, se necesitan instalar elementos que se encarguen de enfriar o calentar las estancias. Además, influyen los picos de frío y calor que se pueden presentar dentro de los períodos diarios y estacionales.

La estimación de la demanda necesaria depende del volumen de cada habitación y del período de tiempo que se estará en cada una de ellas a lo largo del día, ya que no es lo mismo un salón que un dormitorio, un baño o un pasillo.

La instalación de calefacción, aire acondicionado (AA) y agua caliente sanitaria (ACS) se deberá proyectar en función de la situación geográfica y los usos, para lo cual se deberá calcular el volumen de aire a calentar o a enfriar, midiendo el tamaño real de las estancias.

Como información útil, se indican las fórmulas que se utilizan en los cálculos de energía calorífica:

1 julio (J) = 0,24 calorías (cal)

1 hora (h) = 60 minutos (min) · 60 segundos (s) / minuto = 3600 s

1 KWh = 1000 vatios (W) · 3600 s = 3600000 J

3600000 J · 0,24 cal = 864000 cal = 864 Kcal

Cuando la energía (E) viene expresada en Julios (J)

Cantidad de calor (Q) en calorías = 0,24 · E

Cuando la energía (E) viene expresada en kilovatios hora (KWh)

Cantidad de calor (Q) en Kilocalorías = 0,24 · 864 · E

Aplicación práctica

Le avisaron de que existe un problema en una instalación de climatización industrial, ya que el calor que desprenden unas estufas es menor del esperado. El rendimiento teórico debe ser del 80%, y el calor que se cede actualmente es de 15.500 kcal al 55%.

Calcule el consumo en kWh de las estufas actualmente.

SOLUCIÓN

η = Trabajo realizado (W) / Energía suministrada (E)

55% = 0,55

0,55 = W / 15.500 kcal

W = 0,55 · 15.500 kcal = 8.525 kcal

Se tiene que 1 julio = 0,24 cal, por lo que aplicando una regla de tres:

1 J = 0,24 cal

A = 8.525 cal

A = (1 J · 8.525 cal) / 0,24 cal = 35.520,83 julios

Se tiene que 1 kWh = 3.600.000 julios, por lo que aplicando una regla de tres:

1 kWh = 3.600.000 J

B = 35.520,83 J

B = (1 kWh · 35.520,83 J) / 3.600.000 J = 0,00986 kWh

3.4. Estimación de necesidades eléctricas

En un edificio de viviendas donde existen zonas comunes de pasillos y escaleras que se deben iluminar, además de los servicios de ascensor y limpieza, es necesario realizar una estimación de necesidades eléctricas diferente.

Además de influir los períodos temporales en las estancias de las viviendas, hay que tener en cuenta que la electricidad es la energía más utilizada debido a que cualquier otro tipo de energía se puede transformar en ella.

Por ello, desde el calentador de agua eléctrico, las estufas de calefacción fijas y portátiles, la iluminación y los electrodomésticos, hasta el eventual ascensor y la maquinaria de limpieza, se deben tener en cuenta a la hora de la estimación y el cálculo de consumos, así como el tamaño de la vivienda, en la que puede existir un nivel de electrificación básica o un nivel de electrificación elevada.

Sabido es que el tipo de electricidad que se utiliza es de corriente alterna (CA). Al existir motores interviene en el cálculo de consumos y potencias unas nuevas variables, llamadas reactancia y capacitancia, relacionadas con la resistencia (R), ya que las bobinas tienen un componente electromagnético.

Los circuitos domésticos e industriales pueden ser monofásicos o trifásicos, y el cálculo de la energía necesaria se realiza de manera diferente. Como información útil, se indican las fórmulas que se utilizan:

Cuando la energía (E) viene expresada en Julios (J)

En circuitos monofásicos Energía (E) = Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) En circuitos trifásicos Energía (E) = · Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) t → tiempo en segundos (s)

Cuando la energía (E) viene expresada en Kilovatios hora (KWh)

En circuitos monofásicos Energía (E) = Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) / 1000 En circuitos trifásicos Energía (E) = · Tensión (V) · Intensidad (I) · tiempo (t) / 1000 t → tiempo en horas (h)

Ley de Ohm

Tensión (V) = Intensidad (I) · Resistencia (R)

Recuerde

La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.

Durante el período anual, la calefacción se utiliza en los meses más fríos, y el aire acondicionado durante los meses más cálidos, variando muy poco la utilización del agua caliente sanitaria (ACS) a lo largo del año.

De esta forma, un sencillo gráfico expresa la demanda de consumo de energía eléctrica habitual durante todos los meses del año.

Actividades

10. Revisar de nuevo su recibo de la luz y estimar en qué podría ahorrar en consumo.

Aplicación práctica

Esta mañana ha recibido la llamada de un cliente que requiere sus servicios profesionales como montador de instalaciones de energía solar. El primer paso es siempre visitar la vivienda y ver las necesidades térmicas de frío y calor.

Con el plano acotado de distribución de la vivienda, realice el primer cálculo de volúmenes de las habitaciones, teniendo en cuenta que la altura desde el suelo hasta el techo es de 2,5 metros.

Solución

Se realiza el cálculo de volúmenes de cada estancia, y al final se calcula el volumen total de la vivienda a climatizar:

1 Vestíbulo: V1 = 1 m · 1 m · 2,5 m = 2,5 m3.

2 Pasillo: V2 = 3,2 m · 0,8 m · 2,5 m = 6,4 m3.

3 Baño: V3 = 2,2 m · 1,8 m · 2,5 m = 9,9 m3.

4 Cocina: V4 = 1,8 m · 2,6 m · 2,5 m = 11,7 m3.

5 Salón: V5 = 3,5 m · 4 m · 2,5 m = 35 m3.

6 Comedor: V6 = 4 m · 4 m · 2,5 m = 40 m3.

7 Dormitorio: V7 = 2,5 m · 3,5 m · 2,5 m = 21,875 m3.

8 Volumen total: V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6 + V7 = 127,375 m3.

9 Superficie total: V total / 2,5 m = 50,95 m2.