Máquina de Vapor que Utiliza como Energético la Luz Solar
Ricardo Diego Córdova Sojo, Marco Antonio González Zúñiga,
José Alberto Magdaleno Sánchez y Diego Antonio Reyes Castañeda.
Colegio Baden Powell
Resumen
El consumo excesivo de hidrocarburos nos ha llevado a una crisis, tanto por la futura carencia de estos energéticos como por el daño que se ha causado en el ambiente. Es de primera importancia encontrar alternativas al uso de los combustibles fósiles para sustentar la demanda mundial de energéticos y simultáneamente no continuar dañando el ambiente. El propósito fundamental del proyecto consiste en diseñar, utilizando materiales comerciales y accesibles, una máquina de vapor que utilice energía solar para la generación de electricidad. Para el desarrollo de este proyecto hubo necesidad de estudiar y aplicar conceptos físicos y matemáticos, que nos permitieron diseñar y construir un colector parabólico de concentración acoplado a una máquina de vapor, la que a su vez se articuló en un dinamo para la generación de energía eléctrica. Los resultados obtenidos no cubrieron del todo nuestras expectativas por lo que concluimos que las dimensiones del prototipo deben ser reconsideradas para lograr una mayor eficiencia. A pesar de que económicamente no reditúa la inversión realizada, es recomendable continuar en la investigación y desarrollo de esta línea tecnológica, para lograr abatir costos y obtener el mayor beneficio posible del uso de energías limpias.
Máquina de Vapor que Utiliza como Energético Luz Solar
Introducción
La grave crisis ambiental, el agotamiento de los recursos y los desequilibrios entre los hemisferios norte y sur, son factores que obligan a acometer una nueva política energética. A corto plazo la prioridad es incrementar la eficiencia energética, pero ésta tiene límites económicos y termodinámicos, por lo que a más largo plazo sólo el desarrollo de las energías renovables permitirá resolver los grandes retos del futuro, como son el efecto invernadero, los residuos nucleares y las desigualdades sociales.
Se sabe que en un periodo que no excede a cincuenta años, los mejores recursos petrolíferos y de gas natural estarán casi totalmente agotados, encareciendo y agravando la crisis energética y ambiental. La producción, transformación y consumo final de tal cantidad de energía es la causa principal de la degradación ambiental.
El uso de energías renovables podría solucionar muchos de los problemas ambientales, como el cambio climático, los residuos radiactivos, las lluvias ácidas, la pérdida de diversidad biológica y la contaminación atmosférica. (Tonda, 2003)
La energía solar absorbida por la Tierra en un año es equivalente a 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles en el mundo y diez mil veces superior al consumo actual.
Además la energía solar presenta la ventaja de que posee, una alta calidad energética, ya que mediante la concentración de la radiación solar pueden alcanzarse temperaturas de hasta 3.000º C, que permiten, en principio, poner en marcha ciclos termodinámicos con rendimientos superiores a los que presentan los ciclos de las centrales convencionales.(Tonda, 2003).
Para desarrollar este proyecto aplicamos conceptos matemáticos y físicos pertinentes que enseguida se explicarán.
El Sol es un gigantesco reactor nuclear. En efecto es una enorme esfera gaseosa formada fundamentalmente por helio, hidrógeno y carbono. En dicho astro se producen reacciones mediante las cuales se unen los núcleos de dos átomos de hidrógeno para formar un núcleo de helio, liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía,
sin embargo, la energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme. Varía según la hora del día, la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol, las distintas zonas de la superficie terrestre, los movimientos de la Tierra y a la absorción de la radiación solar por parte de la atmósfera. (Tonda, 2003)
Su utilización presenta una serie de características muy particulares. Ante todo, se trata de una energía procedente de una fuente gratuita (la radiación solar) e inagotable a escala humana ya que se calcula que el Sol tiene unos 5.000 millones de años de existencia y que ésta se prolongará por otros tantos millones de años más. (Tonda, 2003)
Según narran los antiguos historiadores, en el año 212 a. C., a petición del rey Herón, Arquímedes quemó las naves romanas que sitiaban la ciudad de Siracusa. Para llevar a cabo tal hazaña, Arquímedes utilizó varios espejos planos o tal vez escudos reflectores que en conjunto formaban un gran espejo cóncavo, pues en esa época ya se utilizaban espejos pulidos de plata y cobre para concentrar la luz del Sol. De esta forma, mediante la concentración de la energía de los rayos solares se logra alcanzar altas temperaturas y, quizá, como Arquímedes, incendiar grandes objetos. También Euclides, en sus trabajos de óptica, menciona que es posible obtener temperaturas elevadas mediante un espejo cóncavo. (Tonda, 2003)
Para poder utilizar la energía solar es necesario un colector o captor. Un colector es un instrumento que absorbe el calor proporcionado por el Sol con un mínimo de pérdidas y lo transmite a un fluido (aire o más frecuentemente, agua). Generalmente se emplea para producir agua caliente de uso doméstico o para hacer funcionar sistemas de calefacción. (Tonda, 2003)
Se han diseñado distintos tipos de colectores, teniendo la mayoría de ellos forma de parábola la cual fue estudiada por el físico, matemático, y astrónomo inglés Isaac Newton (1642 - 1727) el cual, entre sus muchas aportaciones, describió el tiro parabólico, llamado así por que en este movimiento se describe una parábola. (Guerra, M. & Figueroa, S. 2002)
Una parábola se describe como: “…un lugar geométrico de un punto que se mueve en un plano, de tal manera que siempre está a la misma distancia fija llamada foco y de una recta fija llamada directriz, situados ambos elementos en el plano de la parábola.” (Guerra, M. & Figueroa, S. 2002:175).
La fórmula matemática que obedecen las parábolas es: y2 = 4px; donde:
x y y son las variables.
p es la distancia entre el vértice y el foco.
Esta fórmula sólo obedece a las parábolas que tienen su vértice en el origen; pero cuando éstas tienen una traslación de ejes cambia la fórmula en: (y - k)2 = 4p(x - h) donde:
(x - h) es la variable independiente con su traslación que es h.
(y - k) es la variable dependiente con su traslación que es k.
Los colectores parabólicos de concentración se utilizan para instalaciones que trabajan a media temperatura. Estos colectores concentran la radiación solar que recibe la superficie captadora en un elemento receptor de superficie muy reducida como un punto o una línea. Al recibir la radiación solar de manera concentrada, los colectores de concentración son capaces de proporcionar temperaturas de hasta 300º C con buenos rendimientos. (Tonda, 2003).
A partir de cálculos complejos de la radiación máxima que recibe una superficie inclinada, en los que intervienen consideraciones teóricas y empíricas, la máxima captación de un colector se logra cuando el ángulo de inclinación es aproximadamente igual a la latitud geográfica del lugar. Esto permite lograr una incidencia máxima en todas las épocas del año. En el caso de la ciudad de México, un colector debe tener una inclinación de 19º. Una segunda aproximación demuestra que en verano la inclinación del colector debe ser igual a la latitud del lugar menos 10º y, en invierno, la latitud del lugar más 10º. Para la capital mexicana esto equivale a 9º en verano y 29º en invierno. (Tonda, 2003)
Hay colectores que en su funcionamiento implican el principio general del efecto invernadero. Hay que recalcar que nuestra atmósfera opera como un gran invernadero. Cuando la luz pasa a través de una o varias capas de vidrio u otro material transparente se transmiten la radiación que tiene una longitud de onda corta. Si en el interior de un sistema con un vidrio perfectamente aislado del exterior se coloca un material pintado de negro para que absorba al máximo la radiación, el material absorberá la radiación solar, se calentará y se elevará la temperatura; posteriormente, ese material emitirá a su vez radiación de longitud de onda larga, como los rayos infrarrojos lejanos a la zona visible del espectro. La radiación emitida dependerá de la temperatura que posea el material. Pero como la radiación es ahora de longitud de onda larga no podrá atravesar la capa de vidrio, quedará atrapada en el interior y, en consecuencia, provocará que la parte interna del colector esté a una temperatura más elevada que el exterior, tal y como sucede al entrar a un invernadero. (Tonda, 2003)
Ahondando en este punto, buscamos si el vidrio no interfería en el ángulo que inciden los rayos y que al pasar por el material, éste cambiaría el ángulo de inclinación, lo que encontramos fue la ley que enunció el matemático holandés Willebrord Snell van Royen (1621, citado en Máximo & Alvarenga, 2003:662) la cual dice: ”…Al analizar un gran número de medidas de ángulos de incidencia y de refracción, concluyó que había una relación constante entre las funciones seno entre estos ángulos, esta constante es característica de estos medios y, por tanto, para cada par de sustancias tiene un valor diferente.” Sin embargo, si el haz de luz incidente proviene del aire, se refracta al pasar por el vidrio y nuevamente sale al aire, el ángulo de incidencia vuelve a ser el mismo que el del primer rayo incidente, esto se debe a que, el ángulo con respecto a la normal de un rayo incidente y un rayo refractado depende de la rapidez de la luz y ésta, a su vez, del medio por el cual se transmite este rayo. (Giancoli, 1997). Así, el vidrio no interfiere en la inclinación de los rayos y nuestro propósito del efecto invernadero no afecta la incidencia de los rayos solares sobre el tubo de concentración.
Otro de los aspectos importantes en nuestro proyecto es el color de los materiales, el cual está directamente relacionado con la captación y la reflexión de los rayos solares, “…la energía electromagnética es absorbida o emitida en paquetes discretos o en cuantos, el contenido de la energía de estos cuantos, o fotones, como fueron llamados, es proporcional a la frecuencia de la radiación”. (Tippens, 2001:733.) Por este motivo el color negro, al igual que los colores obscuros, absorbe más fácil y en mayor cantidad los fotones, en cambio el blanco y los colores claros tienen la propiedad de absorberlos en cantidades menores e, incluso, hacerlos rebotar, como lo dijo el científico Max Karl Ernst Ludwig Planck: “Un cuerpo negro es un sistema ideal capaz de absorber toda la radiación que incide sobre él”. (Wikipedia 2007)
Planck planteó una ecuación simple que describía la distribución de la irradiación de las variadas frecuencias, basado en una suposición: “la energía no es divisible infinitamente; como la materia, está formada de partículas”, (Wikipedia 2007) a las que llamó quantum.
Por su parte dice que los colores que se reflejan son aquellos que percibimos con la vista, mientras que los que son absorbidos por el objeto no los vemos, así un cuerpo negro ha absorbido todos los colores. Lo anterior se puede ver en la figura 2.
Asimismo, el color que poseen los objetos está directamente relacionado con la absorción, reflexión y transmisión de la radiación solar. En contraposición con el blanco, el negro absorbe todas las longitudes de onda.
La combinación del efecto invernadero, la absorción de radiación de los objetos negros y el aislamiento para evitar las pérdidas de calor constituyen los principios físicos fundamentales para comprender el funcionamiento de un colector.
Uno de los inconvenientes de la mayoría de los colectores de concentración (y entre ellos, del cilíndrico parabólico) es que sólo aprovechan la radiación directa del Sol, es decir, que sólo aprovechan los rayos solares que realmente inciden sobre su superficie. No son capaces, por el contrario, de captar la radiación solar difusa. Por ello, no resultan convenientes en zonas climáticas que, aunque reciben una aceptable cantidad de radiación solar, son relativamente nubosas. Sólo resultan realmente eficaces en zonas auténticamente soleadas. (Tonda, 2003)
Cuando se desea calentar a temperaturas elevadas un líquido, sólido o gas se emplean los llamados colectores de concentración, que aprovechan la radiación solar directa. Para lograr un aprovechamiento máximo, estos colectores deben tener un mecanismo que les permita seguir el movimiento del Sol a lo largo del día, con el objeto de que sea mayor la intensidad de la radiación. Esto se puede lograr manualmente o con un pequeño motor unido al colector. Este tipo de colectores se denomina de seguimiento.
Los rayos solares se concentran en un punto o a lo largo de una línea, dependiendo de la forma que tenga el colector. Si utilizamos un lente convergente o lupa para concentrar la luz del Sol, se observa fácilmente que a cierta distancia, llamada distancia focal, los rayos solares se concentran en un punto denominado foco de la lente. (Hewitt, 2002)
Pero si en lugar de una lupa, usamos un espejo cóncavo cuya forma sea un paraboloide de revolución, se logra también la concentración de los rayos solares en un punto, con la gran ventaja de que es mucho más económico hacer un espejo cóncavo que una lente. Comúnmente se utilizan acrílicos aluminizados por electrodeposición. Estos colectores tienen una eficiencia de 40 a 60% y cuando son de pequeñas dimensiones alcanzan temperaturas de 100 a 300º C (Tonda, 2002)
La idea de movimiento a partir de vapor de agua se remonta a tiempos antiguos y su utilidad tuvo gran apogeo en la revolución industrial. Con la llegada de la locomotora su utilidad se incrementó. Dentro de las locomotoras existían grandes calderas que su función era calentar agua hasta su estado gaseoso. Cuando el vapor, después de haber operado, escapaba por la chimenea para aumentar el tiro, y en este sistema se dependía de la fricción de las ruedas motrices sobre los carriles para asegurar suficiente poder de tracción. La presión del vapor era de 40 libras por pulgada cuadrada (276 kpa); de forma que en rigor era una máquina de alta presión. La válvula de seguridad, impedía una presión excesiva en la caldera y evitaba que ésta explotara. Esta locomotora funcionó bien, pero sus resultados económicos no fueron satisfactorios, ya que para que funcionaran las calderas necesitaban de mucha materia prima como era el carbón.
Considerando que el funcionamiento de la locomotora de vapor, dentro del tubo de concertación habrá agua, la cual pasará de estado liquido a estado gaseoso, lo que ocurre a 100o a 1 atm, pero por la altura de la cuidad de México, sólo se necesita llegar a los 920 (datos experimentales).
Son importantes de considerar las leyes que describen el comportamiento de los gases. La primera fue del científico Robert Boyle, que dice: ”Siempre que la masa y la temperatura de una muestra de gas se mantengan constantes, el volumen de dicho gas es inversamente proporcional a su presión absoluta” (Tippens,2001: 422) Otra fue propuesta por Jacques Charles en 1787 la cual se enuncia de esta manera: ”Mientras la masa y la presión de un gas se mantengan constantes, el volumen de dicho gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta” (Tippens,2001: 424). Por ultimo el científico Gay - Lussac enuncia la ley que dice “Si el volumen de una muestra de gas permanece constante, la presión absoluta de dicho gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta” (Tippens, 2001: 424).
Considerando estos principios de los gases, se puede determinar la presión de gas que saldrá por el tubo de concentración.
Nuestra máquina de vapor además de producir movimiento, producirá electricidad con un pequeño dinamo. Ésta es una máquina destinada para transformar la energía mecánica en eléctrica por inducción electromagnética que es debida a la rotación de los cuerpos conductores en un campo magnético. A partir de la ley de Faraday: “si bien un campo magnético estacionario no produce una corriente, un campo magnético variable era capaz de producir una corriente”, a semejante corriente se le conoce como corriente inducida. (Giancoli, 1997:590)
Cuando el campo magnético de la bonina Y varía, una corriente fluye como si hubiese una fuente de FEM (Fuente de Fuerza Electromotriz), por lo tanto decimos que una FEM inducida es producida por un campo magnético variable.
En el siglo XIX, el clérigo escocés Robert Stirling construyó un motor de aire caliente con un pistón que, acoplado a un espejo parabólico, empezaba a girar cuando los rayos solares se concentraban en el extremo exterior del pistón y se alcanzaba una temperatura adecuada. Otro gran pionero de la energía solar fue el inventor sueco John Ericsson, quien también construyó un motor de aire caliente. El interés de Ericsson por la energía solar lo llevó a instalar un laboratorio dedicado a la investigación solar en la ciudad de Nueva York. (Tonda, 2003)
Método
Dentro del proyecto utilizamos fundamentos de geometría analítica y específicamente sobre las parábolas, que, como ya mencionamos, ”… éstas son un lugar geométrico de un punto que se mueve en un plano, de tal manera que siempre está a la misma distancia fija llamada foco y de una recta fija llamada directriz, situados ambos elementos plano de la parábola.” (Guerra, M. & Figueroa, S. 2002:175)
Tomando en consideración los conceptos expuestos sobre parábolas utilizamos un programa de graficación de ecuaciones (graphmatic). Con él determinamos la forma parabólica para este proyecto: y = x2/16 la cual se describe en la figura 1.
El diseño de la parábola fue entregado a un herrero para que nos elaborara en hierro los soportes parabólicos donde se colocaron los espejos. Las partes no cubiertas por los espejos se rellenaron con papel de aluminio para captar el máximo posible de energía luminosa.
Por lo expuesto en los antecedentes con respecto a la teoría del color, pintamos de blanco los materiales que no necesitamos que se calienten y los que necesitamos que incrementen considerablemente la temperatura los pintamos de color negro, como se puede observar en la figura 3.
Después hicimos una investigación de cómo lograr el mayor rendimiento para la concentración de los rayos solares en una cierta área geográfica. Encontramos que, dependiendo de la latitud del área geográfica, esta concentración se cumple. Utilizando un programa de visualización satelital (google earth) identificamos la latitud y la longitud exacta del área donde colocaríamos el prototipo para poder calibrar los espejos de la parábola. Instalamos la parábola con la inclinación adecuada para captar los rayos solares, todos los rayos se concentraron en un punto que es el foco de la parábola, a la altura del cual fue colocado el tubo de concentración.
En el interior del tubo se colocó agua y se ubicó la parábola en un lugar adecuado para la captación de energía solar. Al calentarse el tubo de concentración el agua cambió de estado líquido a vapor y éste entró por uno de los tubos de la máquina y empujó el pistón provocando el movimiento de la manivela conectada a la rueda embobinada. Ésta última a su vez movió la válvula corredera y el gas contenido en el contenedor salió por el tubo de escape, produciéndose un movimiento repetitivo, el cual, realizado entre dos imanes que colocamos paralelamente a la rueda embobinada produjo un flujo eléctrico con el que se logró encender un foco.
El vidrio que cubre la parábola de espejos fue una idea del equipo, ya que nos dimos cuenta que cuando el tubo donde inciden los rayos solares está al descubierto, tiende a enfriarse por acción del aire, obedeciendo al establecimiento de un equilibrio térmico. El vidrio que cubre la parábola tiene la función de crear, con el aire que está dentro del dispositivo, el efecto invernadero, aumentando la eficiencia de la máquina.
El tubo donde se concentran los rayos solares, se hizo de cobre, metal que resulta útil para nuestro propósito por sus propiedades naturales: es buen conductor, maleable y dúctil. El cobre presenta una coloración rojiza, pero cuando se oxida forma una capa de color verdoso, para evitar la oxidación y favorecer el aumento de temperatura decidimos pintar el tubo de negro, por todo lo anteriormente expuesto.
El proyecto va encaminado también a resolver uno de los problemas que aqueja en la actualidad: la utilización de derivados de hidrocarburos como principales recursos energéticos. El vapor de agua podría ser una de las respuestas ya que es posible producir movimiento, y con éste electricidad, a partir de la aplicación de la ley de Faraday, como se puede ver en las figuras 4, 5 y 6, las cuales muestran los dispositivos necesarios para la creación de energía eléctrica.
Resultados
La máquina de vapor fue puesta a funcionar en diferentes días y a diferentes horas. Pudimos observar que cuando la intensidad luminosa era alta, la manivela giraba más rápido y el foco encendía mejor.
Los costos de los dispositivos que conforman la máquina se presentan en la siguiente tabla:
Parábola |
|
Máquina |
|
Dínamo |
|
Pintura |
$100 |
Herrería |
$350 |
Embobinado |
$80 |
Herrería |
$500 |
Plásticos |
$80 |
Imanes |
$60 |
Cromado |
$579 |
|
|
Cableado |
$15 |
Vidrio |
$100 |
|
|
Focos |
$30 |
Espejos |
$354 |
|
|
|
|
subtotal |
$430 |
|
|
subtotal |
$185 |
Mano de obra |
$899.2 |
|
|
|
|
mantenimiento |
$449.60 |
|
subtotal |
2248 |
|
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|
|
Total |
$3596.8 |
|
En relación al costo actual del kilowatt/hora de energía eléctrica consumida en nuestro país, el costo inicial de la máquina de vapor es alto y poco eficiente, sin embargo su bajo costo de mantenimiento, puede amortizar con el tiempo este gasto inicial.
Además, el beneficio que se obtiene del desarrollo de esta tecnología, dadas las actuales condiciones de contaminación ambiental y el agotamiento de los recursos combustibles fósiles, es alto, por lo que el no buscar mecanismos de producción de electricidad basados en energía limpia, puede causarnos un costo más alto que el económico: la vida.
Discusión
Se observa que durante el día existe una variación en la producción de energía mecánica que se debe por la baja temperatura y la intensidad de los rayos solares, y estos no son suficientes para calentar el agua.
Al no tener suficiente energía cinética, la producción de electricidad se ve disminuida. Un aspecto a corregir es el tamaño de la parábola ya que es insuficiente para satisfacer la demanda doméstica diaria promedio, suponemos que incrementando su tamaño se mejorará la eficiencia de la máquina al poseer mayor captación solar.
El tubo que se utilizó inicialmente en el proyecto tenía un diámetro de ”, pero al observar que la presión que salía era muy baja, decidimos disminuirlo a media pulgada, sin embargo tuvimos problemas para llevar la máquina para aumentar la presión, para incrementar la velocidad del dinamo.
Conclusiones
Este proyecto fue de gran utilidad para el equipo, ya que nos motivó a cuestionarnos acerca del futuro próximo, en el que el petróleo, nuestra principal fuente energía en la actualidad, estará agotado por completo. Con este proyecto aprendimos que la conversión de la energía solar a otras formas de energía nos permitirá desempeñar las actividades que requieren de gasto energético de diversa índole.
Se requiere de mayor investigación en el desarrollo de esta tecnología, ya que implementar individualmente estos prototipos resulta costoso. Sin embargo, en un futuro la producción en serie abatirá los costos y esta tecnología resultará accesible, beneficiando el ambiente y permitiéndonos el desarrollo sin necesidad de la obtención de hidrocarburos.
Referencias
Giancoli, M. (1997). Física principios y aplicaciones. (4a.ed.) México: Prentice Hall.
Guerra, M. & Figueroa, S. (2002). Geometría analítica para bachillerato. México: Mac Graw Hill. pp. 175
Hewitt, P. (2002). Física conceptual. México: Addison Wesley Longman de México.
Máximo, A. & Alvarenga, B. (2003). Física General. (4a. ed.) México: Oxford.
Tippens, P. (2001). Física, conceptos y aplicaciones. (6a. ed.) México: McGraw Hill.
Tonda, J. (2003) El oro solar y otras fuentes de energía. Colección: La ciencia para todos. (3a. ed.) México: Fondo de cultura económica.
Wikipedia (2007) Artículo: Cuerpo negro. Consultado el 15 de marzo del 2007 en: http://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro.
Figura 1.
Representación gráfica por medio del programa Graphmatic el cual muestra la función de la parábola que utilizamos en el proyecto así como la segmentación de ésta.
FIGURA 2.2
Figura 2.
En esta figura se muestra de manera gráfica la explicación de la ley de Snell de los colores.
FIGURA 3.
Representación del colector parabólico de concentración así como sus componentes.
Figura 4.
Esquema que muestra los diferentes los mecanismos acoplados para la producción de energía eléctrica.
Figura 5.
Representación gráfica del dinamo así como sus componentes.
Figura 6.
Representación gráfica de la rueda embobinada y acoplada a un dinamo.