La Energía Inicial del Vehículo: Una Exploración de sus Tipos y Generación

La energía inicial de un vehículo puede generarse a través de diversos tipos de energía, que luego se convierten en movimiento. A continuación, se examinan los principales métodos y tecnologías utilizados para lograr esta conversión.

Generación Eléctrica y Conversión de Energía

Cuando cualquier tipo de energía, sea mecánica, térmica u otra, se convierte en electricidad, se habla de generación eléctrica. El proceso más común es convertir la energía inicial en energía mecánica y luego ésta en electricidad mediante una máquina llamada generador eléctrico. Los generadores eléctricos convierten la energía mecánica de un eje que gira en energía eléctrica. Si un conductor, por ejemplo un cable de cobre, se encuentra en un campo magnético variable, se genera una diferencia de potencial (voltaje); esto también se llama inducción electromagnética.

También es frecuente convertir la fuente original de energía en calor (energía térmica) y luego ésta en energía mecánica, proceso que se realiza mediante una máquina térmica. Este es el caso, por ejemplo, de la energía química de los combustibles y la nuclear.

Máquinas Térmicas: Un Vistazo Histórico

La máquina a vapor es la primera máquina térmica, y probablemente la más exitosa. Se hizo comercial gracias a Thomas Newcomen, un inventor que alrededor de 1712 empezó a usarlas en las minas de carbón de Inglaterra. Las máquinas térmicas convierten calor en energía mecánica, y esta última en electricidad mediante un generador.

Turbinas: Componentes Clave en la Generación de Energía

Existen diferentes tipos de turbinas utilizadas en la generación de energía, cada una con sus propias características y aplicaciones.

Turbina a Vapor (Ciclo Rankine)

Turbina a vapor, también llamada ciclo Rankine. Esta turbina es sólo parte de un sistema más complejo, por lo que es preferible llamarlo planta o ciclo de generación. Está formada por gran número de paletas (álabes) unidas a un eje El vapor entra a gran velocidad, choca con los álabes y los hace girar. El eje de la turbina mueve un generador que produce la energía eléctrica.

Turbina a Gas (Ciclo Brayton)

Turbina a gas o ciclo Brayton, se parece a la de vapor porque ambas tienen álabes unidos al eje. Sin embargo, la de gas tiene un componente adicional, el compresor, también formado por álabes que están unidos al mismo eje de la turbina; en éste el aire del ambiente es aspirado y comprimido. A continuación se calienta en la cámara de combustión por la quema de un combustible, para finalmente pasar por la turbina propiamente tal.

Generador Eléctrico de Ciclo Combinado

Consiste en una turbina a gas unida a una de vapor. El gas natural se enciende al ingresar y hace girar los álabes de la turbina a gas, generando gran energía. Los gases calientes que salen de la turbina a gas pasan por una caldera de recuperación, donde se genera vapor de alta presión, el que se expande en la turbina a vapor. Ambas turbinas generan electricidad. La turbina a vapor tiene un condensador tal como en el ciclo Rankine.

Motor Diésel: Ampliamente Utilizado en el Transporte

Este tipo de motores es ampliamente utilizado en el transporte terrestre, no solo en vehículos mayores sino que también en automóviles. Los motores diésel utilizan un sistema de cuatro tiempos: admisión, compresión, inyección y encendido y escape. En el primer tiempo, el aire entra, luego se comprime con el empuje del émbolo del pistón hacia arriba, lo que eleva la temperatura del aire. En el tercer tiempo se inyecta el combustible, el cual con la alta temperatura y presión del aire produce la combustión; el combustible mezclado con el aire se quema rápidamente con lo cual el gas se expande y empuja el pistón hacia abajo, lo cual provoca el movimiento.

Celdas de Combustible: Una Alternativa Limpia

Estas convierten directamente la energía química de un combustible en electricidad. Sus primeras aplicaciones fueron en programas espaciales. Actualmente el tipo de celda más común usa hidrógeno como combustible, generando energía eléctrica con eficiencias del orden del 50%, sin producir ningún contaminante; el único producto que descargan es agua pura. Estas celdas tienen un ánodo (electrodo negativo) a donde llega el combustible y cátodo (electrodo positivo) al cual llega el oxidante que normalmente es el aire del ambiente. Entre los dos electrodos hay una solución (electrolito) que permite el paso de iones, pero no de electrones. En el electrolito los iones positivos se mueven hacia el electrodo positivo, impulsados por el potencial (fuerza) químico a través del electrolito.

Energía Solar: El Desafío de Alicanto

El Desafío Solar Atacama 2011, es la primera carrera de vehículos solares desarrollada en América Latina, es el reto de desarrollo en tecnologías autosustentables. Por ser la primera carrera de autos solares en Latinoamérica es indudable que aspectos como la innovación, la creatividad y la mejor ingeniería disponible juegan un rol fundamental del proyecto. La carrera tiene lugar en el norte grande de Chile, que se caracteriza por tener unos de los mayores niveles de radiación en el mundo. Desarrollar un vehículo impulsado solo por energía solar que cumpla con las bases establecidas por la organización de la carrera. El diseño se plantea de forma integral trabajando de la mano con las otras facultades. Teniendo siempre presente la mecánica y el sistema eléctrico en el desarrollo de Alicanto. Así también indaga en forma progresiva sobre materiales livianos y resistentes para el modelado y fabricación de la carrocería.

El Alicanto es un ave mitológica que habita el desierto norteño. Es creído que su presencia trae suerte entre los mineros, ya que ella se alimenta de oro y plata. Así el Alicanto es el guía de los trabajadores hacia las enriquecidas minas,siendo él el camino al éxito.

La Importancia del Color Blanco en Vehículos Solares

Se adopta el color blanco en la cubierta superior, con la base de que existen tres tipos de incidencias en los paneles solares; 1.La directa, es decir que los rayos solares prenetran en un ángulo de 90°. La difusa, es decir que los rayos están fuera de los 90°, y por último la de albedo que se produce por una reflexión por estímulos anexos. Tomamos éste tercer caso, eligiendo el color blanco que permite una incidencia mayor en los panelos solares, adempas se debe disminuir la temperatura en la superficie del vehículo expuesta al sol, para que las celdas funcionen a la temperatura más eficiente.

Funcionamiento de las Celdas Solares

Las celdas solares basan su funcionamiento en el efecto fotovoltaico donde los electrones que se encuentran en el medio absorben los fotones dotándose de energía suficiente para escapar de éste. Cuando estos electrones libres son capturados el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

Las celdas de ALICANTO corresponden al modelo PEPV 245 de la marca Eurener. Son celdas que se caracterizan por su gran rendimiento y alta fiabilidad. Un panel compuesto por 60 células de silicio, alcanza una eficiencia de hasta un 16%. En la fabricación se emplea soldadura libre de Plomo, medida que contribuye a la conservación del medio ambiente.

Estas celdas hechas de silicio policristalino, son cuadradas cuyas dimensiones son 156 mm x 156 mm con encapsulado EVA (etilen-vinil-acetato). Una celda alcanza una temperatura (no ambiente) de 25 °C .Por lo que la temperatura es un tema de cuidado dentro de un panel fotovoltaico ya que si aumenta la temperatura de operación de las celdas la tensión que entregan disminuirá puesto que se produce un aumento en la intensidad de corriente.

El siguiente paso es la obtención del silicio purificado, este consta de la purificación del silicio y de la separación de las impurezas que contiene el silicio en su estado bruto, para esto se separaran las impurezas por destilación, en una torre de destilación. Luego para la cristalización del silicio se usa un horno de inducción donde se mete un cubo que contiene el silicio solar purificado en forma líquida a unos 1.600 ºC y en el horno de inducción se controla la temperatura del silicio líquido de forma que se forme una superficie de cristalización que avanza de abajo hacia arriba del cubo y va solidificando el silicio y por lo tanto cristalizándose.

Cuando se obtiene el silicio cristalizado y luego de enfriarse se realiza el corte en forma de lingotes de 15 x 15 cm de lado y 30 cm de largo aproximadamente. El siguiente paso es cortar los lingotes en forma de obleas planas, para esto se utiliza una maquina llamada cierra de hilos, cuyos hilos están hechos de polvo de diamante.

Para armar un panel solar, primero se debe entender el concepto de conexión en serie y conexión en paralelo al momento de conectar las celdas solares entre si. Al realizar una conexión en serie se debe considerar que los polos positivos de la primera celda solar van conectados a los polos negativos de la siguiente celda, este tipo de conexión se realiza para sumar voltaje de las celdas sin aumentar el amperaje. Generalmente para construir un panel solar las celdas son conectadas en serie.

En una celda solar el lado negativo está dado por la parte azul de celda (la que va expuesta la radiación), este lado de la celda posee dos líneas blancas, llamadas barras de distribución y son los polos negativos, en tanto el revés de la celda posee seis o más cuadrados blancos que son los polos positivos, por lo tanto para formar una conexión en serie se deben conectar los conductores del lado positivo de la celda con los cuadrados negativos del lado trasero de esta, este proceso de repite hasta formar un grupo de celdas (generalmente entre 6 a 9 celdas).

Para saber cuánta energía eléctrica produce una celda solar es necesario saber la potencia en watts, entonces si una celda genera, por ejemplo, 0.5 volts y 3.3 amperes cada una, esto es, una potencia promedio de 1.65 watts.

Los paneles solares también incluyen:

• Encapsulante, está constituido por un material que debe presentar una buena transmisión a la radiación y una degradabilidad baja a la acción de los rayos solares.
• Capa Antirreflectante el silicio es un material gris brillante que puede actuar como un espejo, reflejando más del 30% de la luz que incide sobre él.
• Cubierta posterior, se conforma generalmente por varias capas opacas que reflejan la luz que pasa entre los intersticios de las células, haciendo que vuelvan a incidir nuevamente sobre ellas.
• Marco de metal, normalmente de aluminio, que asegura rigidez y estabilidad al conjunto, y que lleva los elementos necesarios para el montaje del panel sobre la estructura soporte.
• Caja de terminales,son los que permiten acceder a la energía producida por el panel.

Tabla de Componentes y Funciones en un Panel Solar

Aprovechamiento del Viento Generado por Vehículos

El viento es uno de los recursos naturales que en el mundo se están utilizando para la generación de energía. Este tipo de movimiento del aire, que se produce naturalmente, también puede ser generado por un objeto en movimiento, y es eso lo que académicos de la Facultad de Ingeniería observaron y que los llevó a plantear una iniciativa para la generación de energía que aproveche las masas de aire que se producen en la carretera.

El proyecto piloto consideró la instalación de un aerogenerador que gira debido al flujo de aire producido por el paso de vehículos por la carretera, el que se encuentra ubicado en el bandejón central de la salida sur de Curicó. La turbina aprovecha los flujos de aire creados por los vehículos que circulan en ambos sentidos de la carretera. La cantidad de energía producida se controla mediante un sensor que registra las revoluciones por minuto del giro de las aspas del generador, así como el voltaje generado. Mientras la energía eólica es convertida en corriente eléctrica que se almacena en baterías especiales.

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