Green Energy

Energía proveniente de fuentes de energía renovables

Todos los días necesitamos una gran cantidad de energía. Te preguntarás ¿por todas partes? Veamos una rutina diaria normal:
Por la mañana, te despierta tu radio despertador. Esto obtiene energía de una toma de corriente. Después de levantarte, enciendes la luz y te duchas con agua tibia, que ha sido calentada por la calefacción central con aceite o gas por combustión. Después te secas el cabello con un secador de pelo eléctrico y te cepillas los dientes con un cepillo de dientes eléctrico. Para el desayuno, puede que te preparas un té o un café. Has puesto a hervir el agua en un hervidor. Tu almuerzo, que habías preparado la noche anterior, estuvo en el frigorífico durante la noche.
Vas al colegio en autobús, en tranvía o en coche con los padres. El autobús, el tranvía y el automóvil consumen combustible. Podríamos seguir enumerando durante mucho tiempo todas las cosas para las que necesitas energía. La lista sería interminable. En pocas palabras, todos necesitamos una gran cantidad de energía.

Energía proveniente del petróleo, el carbón y la energía nuclear.

¿Y de dónde proviene esa energía? Gran parte proviene de los combustibles fósiles, gas, petróleo y carbón. Pero la energía nuclear también cubre parte de nuestras necesidades de electricidad. Pero estos tipos de producción de energía tienen distintas desventajas:

Las existencias de combustibles fósiles en la tierra son limitadas.
La combustión de petróleo y carbón generan sustancias nocivas que contaminan el medio ambiente, así como dióxido de carbono, responsable del constante calentamiento de la atmósfera terrestre.
Pese a los altos estándares de seguridad, la energía nuclear alberga el peligro de un accidente radiactivo. Además, se generan residuos radiactivos, que continuarán emitiendo radiactividad por miles de años.

¡Las fuentes de energía alternativas son la solución!

Razón suficiente para buscar alternativas compatibles con el medio ambiente y disponibles, en lo posible, de manera ilimitada. Estas formas alternativas de energía existen. En este contexto, se habla de energías regenerativas (renovables). Con tu kit de montaje Green Energy observas la producción de energía a partir de:
agua, viento, sol

A diferencia de los combustibles fósiles, estas fuentes de energía están disponibles ilimitadamente y su uso no presenta las desventajas descritas anteriormente.

Numerosos modelos te mostrarán cómo utilizar estas fuentes de energía para generar, almacenar y accionar modelos fischertechnik.

Constantemente se habla de energía, pero ¿qué significa realmente y cómo puede medirse?

Se necesita energía:

para acelerar un cuerpo o
para moverlo contra una fuerza,
para calentar una sustancia,
para comprimir un gas,
para hacer circular una corriente eléctrica o
para emitir ondas electromagnéticas.
Plantas, animales y seres humanos necesitan energía para poder vivir.

La unidad de medida utilizada para medir la energía y el trabajo se llama julio (J).

Conversión de la energía hidráulica en movimiento ...

... con la rueda hidráulica
La invención de la rueda hidráulica representó un hito en la evolución de la tecnología. Ya que además de la fuerza física, las personas ahora podían utilizar energía mecánica – con ayuda de la energía hidráulica.

... con la sierra múltiple
¿Habías notado que muchos aserraderos antiguos fueron construidos junto a un arroyo o río? La razón es el aprovechamiento de la energía hidráulica como fuente de energía. A menudo se utilizaba una sierra múltiple. La rueda hidráulica acciona las hojas de la sierra y facilita la fabricación de, por ejemplo, tablas aserradas de un tronco.

Tarea n.° 1:

¿Cuáles son las desventajas de esta forma de aprovechamiento de la energía hidráulica?

La energía solo puede aprovecharse en aquellos lugares donde fluye agua (arroyos o ríos).
La energía no puede almacenarse. Debe utilizarse inmediatamente cuando esté disponible.
La energía solo está disponible para un uso limitado.

¿Cómo se genera electricidad a partir de la energía hidráulica?

Como acabas de aprender, los seres humanos utilizan desde hace cientos de años la energía cinética del agua para accionar directamente las máquinas. Como consecuencia de la industrialización, se dejó de lado el uso directo de la energía hidráulica y comenzó a utilizarse en su lugar la electricidad. Pero ¿cómo puede generarse electricidad a partir de la energía hidráulica?

Turbina hidráulica con LED

Una turbina hidráulica es una turbina que aprovecha la energía hidráulica. En una central hidroeléctrica, la energía del agua que fluye es convertida en energía mecánica mediante la turbina hidráulica. La turbina gira con ayuda de la corriente de agua. La rotación de los ejes de la turbina hace accionar un generador, que convierte la energía de rotación en electricidad. Los impulsores de estas turbinas tienen un diámetro de hasta 11 m.

Ahora monta el modelo de turbina hidráulica (ver manual de instrucciones). Sujeta la rueda hidráulica bajo un grifo y deja girar la rueda tan rápido que el LED se ilumine. Observe el sentido de rotación de la rueda indicado en el manual de instrucciones.

Tarea n.° 1:

¿Cómo funciona la turbina de agua?

La turbina de agua transfiere su energía de rotación a la rueda de transmisión. Una correa trapezoidal (anillo de silicona) transfiere el movimiento rotativo a la rueda propulsora del motor solar. Este actúa como generador y convierte la energía de rotación en energía eléctrica y hace que el diodo emisor de luz se ilumine.

Atención: El diodo emisor de luz está destinado únicamente a mostrar cómo puede generarse electricidad con el motor solar. Este debe utilizarse con un máximo de 2 V de tensión continua. A tensiones más altas, se romperá de inmediato. Asegúrese también de que el motor no entre en contacto con el agua.

Durante siglos, las personas han utilizado la energía eólica para sus propios fines. Por un lado, se ha utilizado el viento para el desplazamiento de los barcos de vela o globos aerostáticos; por otro lado, la energía eólica ha sido utilizada para realizar trabajos mecánicos con la ayuda de molinos de viento y bombas de agua.

Conversión de la energía eólica en movimiento

En el modelo de molino de viento, la energía eólica se convierte en energía cinética.

Un aerogenerador es una estructura tecnológica que genera energía de rotación con la ayuda de sus aspas, que giran por el viento (energía cinética). El movimiento de rotación es transmitido a la parte inferior de la estructura a través de una rueda dentada y un eje de trabajo. Ruedas de engranaje y poleas de retorno dirigen el movimiento de rotación a la piedra del molino.

Monta el modelo de molino de viento (ver manual de instrucciones).

Prueba:

¿Qué puedes utilizar para poner en funcionamiento el molino de viento? Prueba diferentes técnicas (soplar, secador de pelo, ventilador, viento o sostén el modelo en la mano y gira en círculos lo más rápido que puedas).

¿Cómo se genera electricidad a partir de la energía eólica?

Tras el descubrimiento de la electricidad y la invención del generador, era de suponer que se aprovecharía la energía eólica para generar electricidad. En un comienzo, solo variaban los conceptos de los molinos de viento. En lugar de convertir la energía cinética del viento en energía mecánica, se generó energía eléctrica por medio de un generador. Con el desarrollo de la dinámica de los fluidos, también se especializaron más las estructuras y la forma de las aspas y hoy en día se habla de aerogeneradores. Desde las crisis del petróleo de los años 70, se ha incrementado la investigación de alternativas a la producción de energía en todo el mundo y, a su vez, se ha impulsado el desarrollo de aerogeneradores más modernos.

Tarea:

Monta el modelo de molino de viento, aerogenerador o turbina eólica que hace que el diodo emisor de luz (LED) se encienda.
(Ver manual de instrucciones)

El aerogenerador transfiere su energía de rotación a la rueda de transmisión. Una correa trapezoidal (anillo de silicona) transfiere el movimiento rotativo a la rueda propulsora del motor solar. Este actúa como generador, convierte la energía de rotación en energía eléctrica y hace que el diodo emisor de luz se ilumine. En el modelo de turbina eólica, la hélice acciona directamente el motor solar. Antes de iniciar, verifica que el sentido de rotación de las aspas y la polaridad del LED sean correctos (ver manual de instrucciones).

Prueba:

Compara los modelos de energía eólica. ¿Qué modelo gira con poco viento y cuál requiere viento fuerte? Vuelve a probar diferentes técnicas (soplar, secador de pelo, ventilador, viento o sostén el modelo en la mano y gira en círculos lo más rápido que puedas).

La energía solar se refiere a la energía producida por el sol a través de la fusión nuclear, que llega a la tierra en partes como radiación electromagnética (energía radiante). El mayor uso en términos de volumen es para el calentamiento de nuestro planeta.

Con la ayuda de la tecnología solar, la energía solar se puede usar de varias maneras:

Los paneles solares generan calor.
Las plantas de energía solar térmica generan electricidad mediante la conversión de calor en vapor de agua.
Las cocinas solares o los hornos solares calientan los alimentos.
Las células solares generan corriente eléctrica continua (fotovoltaica).

Conversión de energía solar en electricidad

Una célula solar o célula fotovoltaica es un componente eléctrico que convierte la energía radiante contenida en la luz (generalmente luz solar) directamente en energía eléctrica. La base física de la transformación es el efecto fotovoltaico. La célula solar no debe confundirse con el colector solar, en el que la energía solar calienta un medio de transmisión (generalmente agua caliente).
Las células solares están hechas de silicio. Los bloques de silicio se cortan en láminas gruesas de aproximadamente 0,5 milímetros. En el paso siguiente, se aplica a las láminas diversas impurezas, que la contaminan de forma dirigida, lo que crea un desequilibrio en la estructura de silicio. Esto da como resultado dos capas, la capa «p» positiva y la capa «n» negativa.

Expresado en términos simples, el flujo de corriente eléctrica se crea por el hecho de que los electrones de la capa n, excitados por la luz incidente, se mueven a la capa p a través del consumidor conectado (por ejemplo, un motor solar). Cuanta más luz (es decir, energía) incide sobre la célula, más electrones se mueven. Cuando se conecta una célula solar a un consumidor, los electrones se mueven preferentemente en esa dirección. Es posible imaginarse el flujo de corriente como un ciclo: una y otra vez los electrones llegan a la capa n y migran nuevamente a la capa p. Este flujo de electrones hace que la corriente fluya y el motor gire.

Modelos solares con un módulo solar

El módulo solar utilizado en el kit de montaje Green Energy consta de dos células solares conectadas en serie. Suministra una tensión de 1 V y una corriente eléctrica máxima de 440 mA. El motor solar tiene una tensión nominal de 2 V, pero comienza a girar a los 0,3 V (en vacío, es decir, sin que el eje del motor deba accionar un modelo).

Para las primeras pruebas con el módulo solar, monta el modelo del helicóptero o del hombre tambaleante (ver manual de instrucciones).

Prueba 1:

Determina cuál es la luminosidad necesaria para que gire el motor. Para ello, puedes utilizar una lámpara con bombilla. Comprueba el montaje de prueba también al aire libre bajo la luz solar.

Prueba 2:

Si posees un medidor de corriente y tensión, puedes medir la tensión (V) a partir de la cual gira el motor y la corriente (A) que circula.
Para facilitar las mediciones, puedes utilizar el instrumento de medición como se indica. Puedes conectar ambos conectores del cable en los puntos a medir en el modelo. Ahora puedes realizar la medición deseada en la piedra luminosa utilizando las puntas de tu medidor de corriente y tensión.

Prueba 3:

A partir de experimentos, encuentra respuestas a las siguientes preguntas:

¿Qué tanta claridad debe haber para que el motor gire lo suficiente?
¿Qué fuentes de luz son aptas para producir energía?

Modelos solares con dos módulos solares - Conexión en paralelo

Una conexión en paralelo de dos módulos solares suministra más corriente con la misma tensión. Esta conexión es necesaria para el nuevo modelo de mesa giratoria (ver manual de instrucciones).

Prueba 1:

Si posees un medidor de corriente y tensión, puedes medir la tensión (V) y la corriente (A) suministradas por la conexión en paralelo.

Prueba 2:

Comprueba la conexión en paralelo conectando primero uno y después dos módulos solares al motor solar del modelo.

Modelos solares con dos módulos solares - Conexión en serie

Los vehículos solares reciben la mayor parte de su energía motriz directamente del sol. Para ello, están equipados con células solares en su superficie, que convierten la energía solar que recibe en vehículo en corriente eléctrica. Como vehículos eléctricos, suelen contener un depósito de energía (generalmente acumuladores) para que puedan seguir conduciéndose incluso en circunstancias de poca luz o nubosidad, al menos por un tiempo limitado.

En el modelo de vehículo solar se utiliza el principio de conexión en serie de células solares, lo que significa mayor tensión a igual corriente. Monta el modelo siguiendo el manual de instrucciones y conéctalo tal como se describe en el esquema de conexiones.

Vehículo solar

En este modelo se incorpora un nuevo componente: el pulsador. Los pulsadores forman parte de los sensores de contacto. Accionando el botón rojo, un contacto en la carrocería se mueve mecánicamente y circula corriente entre los contactos 1 y 3. Al mismo tiempo, se interrumpe el circuito del interruptor entre las conexiones 1 y 2.

Los pulsadores o interruptores se utilizan de dos maneras distintas:

Pulsador como «contacto de cierre»

Los dos esquemas de conexiones enseñan el montaje experimental. El polo positivo del módulo solar se conecta al contacto 1 del pulsador; el motor solar se conecta al contacto 3 del pulsador y al polo negativo del módulo solar. Si no se acciona el pulsador, el motor permanece apagado. Al presionar el pulsador, se cierra el circuito eléctrico a través de los contactos 1 y 3 y el motor funciona.

Pulsador como «contacto de apertura»

Mediante el contacto de apertura, el polo positivo del módulo solar se conecta al contacto 1 del pulsador; el motor solar se conecta al contacto 2 del pulsador y al polo negativo del módulo solar. Si no se acciona el pulsador, el motor funciona. Al presionar el pulsador, se abren los contactos 1 y 2 y el motor se apaga.

¿Qué función tiene el pulsador como «contacto de cierre»? Cuando el sol brilla sobre la célula solar y el pulsador está accionado, comienza a girar el tornillo sin fin del motor solar y pone en movimiento la rueda dentada. El pulsador del modelo de vehículo solar se conecta como «contacto de cierre».

Prueba 1:

Determina cuál es la intensidad de luz necesaria para que el vehículo solar se ponga en marcha.

Prueba 2:

Comprueba qué efecto tiene la intensidad de la luz en la velocidad del vehículo solar. ¿Cuánto tiempo necesita el vehículo solar para recorrer una distancia de un metro?

Prueba 3:

Compara el movimiento del vehículo solar al utilizar la conexión en serie y en paralelo.

Un vehículo solar que circula con «energía solar» no es considerado automáticamente como vehículo solar. Por ejemplo: si un vehículo se abastece de electricidad exclusivamente en una estación solar, la electricidad sí proviene de la luz solar, pero se trata de un vehículo eléctrico.

Vehículo eléctrico con central de carga solar

Monta el modelo de vehículo eléctrico con la central de carga solar (ver manual de instrucciones).

Seguramente has comprobado en tus pruebas con los módulos solares que esta forma de producción de energía tiene una desventaja. Los modelos se detienen cuando se encuentran fuera del alcance de la fuente de luz o a la sombra. Por ello es importante, para estas circunstancias, equipar los modelos con un acumulador de energía que se recargue con energía solar.

Acumulador de energía Goldcap

Un acumulador de energía de este tipo es el Goldcap, incluido en el kit de montaje. Se compone de dos piezas de carbón activado separadas solo por una delgada capa aislante. El Goldcap destaca por su altísima capacidad. El condensador utilizado tiene una capacidad de 10 F (faradio).

Puedes emplear el Goldcap como una pequeña batería convencional. La ventaja frente a la batería convencional reside en que el Goldcap puede recargarse muy rápidamente, no se sobrecarga ni se descarga profundamente. ¡A pesar de su nombre, lamentablemente no contiene oro! Goldcap es el nombre del producto que el fabricante ha dado a este condensador especial.

¡Precaución: riesgo de explosión! El Goldcap no debe conectarse nunca a una tensión superior a 3 V; de lo contrario, ¡existe riesgo de explosión! Por lo tanto, nunca conectar el Goldcap a una fuente de alimentación convencional fischertechnik de 9 V.

Abastecimiento del vehículo eléctrico - para ello lo conectas a una central de carga solar. El Goldcap se cargará con la correspondiente energía lumínica. Cuando esté cargado (LED iluminado) conecta el Goldcap al motor solar. Al accionar el pulsador, el vehículo arranca.

Prueba 1:

Si posees un medidor, puedes medir la tensión del Goldcap de manera simultánea a la carga. Esto le permitirá saber qué tan avanzado se encuentra el proceso de carga.

Prueba 2:

Pruebe cuánto tiempo puede conducir el auto con un depósito lleno.
¿Qué velocidad alcanza?
¿Cuánto tiempo necesita el vehículo para recorrer una distancia de un metro?

¿Qué función cumple el diodo emisor de luz en la estación solar?

Sirve como indicador de control de carga. Cuando el Goldcap está completamente cargado, el LED se ilumina.

Conexión antiparalelo

Antiparalelo– ¿Qué significa este concepto? Sencillamente, se conectan dos módulos solares en paralelo de tal forma que el polo positivo de un módulo solar se conecta al polo negativo del otro módulo solar. ¿Cómo actúa esta conexión ante la exposición a la luz? La imagen facilitará la comprensión. En el centro, ambos módulos solares son iluminados con la misma intensidad, de modo que la tensión de ambos módulos solares se neutraliza y el medidor indica 0 V. Si un módulo solar se oscurece, solo el módulo iluminado generará corriente y el medidor se desplazará en la dirección correspondiente.

Aplica este principio a los dos modelos siguientes.

Barrera

Monta el modelo de barrera con ayuda del manual de instrucciones. En este modelo, debe abrirse y cerrarse una barrera con ayuda de la energía solar. El truco está en que el motor no se mueva cuando ambos módulos solares estén iluminados con la misma claridad. Al cubrir un módulo, el motor se pone en marcha y se cierra la barrera. Al oscurecer el otro módulo, la barrera vuelve a abrirse. De este modo, con esta conexión puedes reemplazar un interruptor de cambio de polos.

Tarea:

Dibuja un esquema para comprender cómo se produce la inversión del sentido de rotación del motor (o el sentido de circulación de la corriente en el motor) en este modelo cuando se oscurece un módulo solar a la vez.

Si ambos módulos son iluminados con la misma intensidad, la tensión se neutraliza y el motor se detiene. Al oscurecer un módulo, la tensión del módulo iluminado actúa sobre el motor. Este gira, cerrando o abriendo la barrera.

En la siguiente tarea, reunirás todas las fuentes de energía utilizadas hasta ahora. En la ecovivienda, el constructor ha utilizado diversas fuentes de energía renovables. Esta forma de producción de energía reduce los costos de calefacción y electricidad. Ahora monta el modelo de ecovivienda (ver manual de instrucciones).

Tarea:

Infórmate en internet acerca de las opciones de producción de energía renovable.

El LED integrado en el modelo representa el consumo de energía eléctrica específico de luces, televisores y muchos más.

Tarea n.° 1:
En primer lugar, el LED debe recibir corriente a través de la turbina eólica.

Conecta los componentes eléctricos tal como se describe en el manual de instrucciones. La desventaja de esta conexión es que el LED no se ilumina cuando no hay viento.

Tarea n.° 2:
En esta fase, el LED debe recibir corriente a través de las células solares.

Conecta los componentes eléctricos tal como se describe en el manual de instrucciones. La desventaja de esta conexión es que el LED no se ilumina cuando no hay energía solar.

Tarea n.° 3:
En esta fase, deben combinarse las energías eólica y solar. El Goldcap actúa como depósito de energía.

Conecta los componentes eléctricos tal como se describe en el manual de instrucciones. Con esta conexión se compensan las desventajas de las fases previas.

Cuando sopla el viento (el pulsador mini no está accionado), la vivienda se abastece a través de la energía eólica. El LED se ilumina. A su vez, el Goldcap se carga por medio del sistema de energía solar. Si no hay viento, el pulsador mini se acciona. En este caso, el LED se alimenta de energía solar a través del Goldcap.

¿Qué hacer cuando algo no funciona?

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Tareas

Introducción a las células de combustible

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