Introducc cciión a las
ENERGIAS ALTERNATIVAS con ex exp per erim imen enttos sen encill cillos os
Miguel Vargas Palomeque
Introducción a las ENERGIAS A LTERNA LTERNATIVAS TIVAS con experimentos sencillos
Autor: Autor:Migu Miguel elAnt Antonio onioV Vargas argas P alomeq alomeque ue Derech Derechos os Reservad Reservados os 2006 2006po porr Migue Miguell A. Vargas argas P alo alom meque eque Ningun Ninguna a porció porción, n, pasaje pasajeo o image imagene ness deest de este e libro libro pued pueden enser ser repr reprod oduci ucido doss por por ning ningún ún medio, edio, sea este este impr impreso, eso, ele elect ctró róni nico co o median ediantte int interne ernett, sinla sin la aut autorizaci orización ónex expr presa esa por por escri esc ritto delo de loss edit editor ores. es. La P az, az, Boliv Bolivia ia,, SudAm Sud Amér éric ica a
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Introducción a las ENERGIAS A LTERNA LTERNATIVAS TIVAS con experimentos sencillos
Autor: Autor:Migu Miguel elAnt Antonio onioV Vargas argas P alomeq alomeque ue Derech Derechos os Reservad Reservados os 2006 2006po porr Migue Miguell A. Vargas argas P alo alom meque eque Ningun Ninguna a porció porción, n, pasaje pasajeo o image imagene ness deest de este e libro libro pued pueden enser ser repr reprod oduci ucido doss por por ning ningún ún medio, edio, sea este este impr impreso, eso, ele elect ctró róni nico co o median ediantte int interne ernett, sinla sin la aut autorizaci orización ónex expr presa esa por por escri esc ritto delo de loss edit editor ores. es. La P az, az, Boliv Bolivia ia,, SudAm Sud Amér éric ica a
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A Di Dios os nuest nuestrro Señ S eñor or y P ad adrre Pr P rot otec ecttor A mi esposa amada A mis hijos a Mis padres
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INDICE Pagina 5.- Las Energías Alternativas Pagina 6.- Biomasa Pagina 8.- Biodigestor Experimental Casero Pagina 10.- Energía Solar Pagina 12.- Transformación en Electricidad Pagina 13.- Concentrador Solar agina ina 15.asiv siva P ag agin 15.- Ener erg gía Sol olar ar P asi asiv va y Act Activ iva a Pagina 18.- Calentador Solar Pagina 20.- Cocinas Solares Pagina 22.- Cómo Construir una Cocina Solar Pagina 24.- Energía Solar Fotovoltaica P ag agin ina a 26 26.- Aut Auto o Sol Solar ar Pagina 29.- Energía Eólica Pagina 31.- Turbinas Eólicas Pagina 34.- Las Granjas de Viento Pagina 36.- Construcción deTurbina Savonius Pagina 38.- Energía Geotérmica Pagina 41.- Turbina Geotérmica Experimental Pagina 43.- Energía Hidraúlica Pagina 47.- Generador Hidraúlico Experimental Pag Pa gina ina4 4
LAS ENERG NERGÍA ÍAS S AL ALTER TERNA NATIV TIVAS AS El vient iento o que que hace hace gira girarr las las aspas aspas del del molin olino, o, es una una cons consec ecue uenc ncia iade dela laen ener erg gía que que nos nos prop proporc orcion iona a elSol el Sol
QUE SON LAS ENERGÍAS RENOVAB RENOVABLES LES Tod Toda as las fuentes de energía, ía, sa sallvo la geotérmica cay y la nucle clear, proc oce eden, en última insta stancia cia del sol,pe sol, pero rolo lousu usual ales es iden identtific ificar arcom como o ener energía gía sol solar arla laen ener ergía gíare reno nov vable ableob obttenid enida a conel con elem empl pleo eo dire direct cto o de la ener energía gía del del Sol en form forma a de luz luz o calor calor.. Enten Entende dem mos co com mo ener energía gía reno renov vable able aquella aquellacuy cuya a fuent fuente e deobt de obtenci ención ónse se renuev renueva a constant constantem ement ente, e,fre frent nte e a las lasene energ rgías ías noren no renov ovable abless que que nose no se renu renuev evan ano o que que tiene ienen n unos unos períod períodos os dere de reno nov vación aciónm muylar uy largo gos. s. La energía que recibe la Tierra del Sol es enorme, si bien no nos damos cuenta ya que la tenem enemos os co com mo co cosa sa co cottidia idian na. La ener energ gía sol solar arre reci cibi bida dapo porr laTie la Tierrraen ra enun unañ año o es unas nas 10 000 vec eces es sup superio eriorr al co con nsum sumo total otal de ener energ gía de la humanid anidad ad en un año, año, si bien ien se reg regist istran gran grande dess varia ariaci cion ones, es, desde desde menos enos de 1 500 Kcal por metro etro cuadr cuadrad ado o al día en el nort norte de Europ uropa a a los más de7 de 7 000 000 enlos en los trópi rópicos. cos.T Tam ambi bién énex exist isten engr gran ande dess varia ariacio cione ness diar diarias ias por por los días claro claross o nubl nublad ados os o estaci estacion onale ales, s, por por ejem ejempl plo o veran erano o - inv inviern ierno. o. La fot fotosíntesis osíntesis es laut la utililizac ización iónm más impo import rtan antte dela de laen ener ergía gía sola solarr, y laún la única icafu fuen entte dem de mater ateria ia orgá orgáni nica, ca,al alim imen enttos y biom biomasa. asa. La leña leñaes es una una co conse nsecu cuen enci cia a dela de lafo fottosínt osíntesi esis, s, y los los co com mbusbustible ibless fósil fósiles es no sonm son más que que ener energía gíasol solar aral alm mac acen enad ada a a lola lo larg rgo o de millo illone ness deañ de años. os. Buen Bueno, o, tam ambi bién énson sonun unalm almace acena nam mient iento segur seguro o para parael elCO CO², ², pero peroest esta a es otra otracue cuest stión ión.. La energía de las mareas es consecuencia de la acción combinada del sol y la luna, la hidr hidroe oelé léct ctri rica ca del del cicl ciclo o delag el agua ua,, ca causa usado doen enúl últtima ima inst instan anci cia a por por elsol el sol,, que que es quié quién n prov provee eela la ener energ gía nec ecesa esarria para ara evap evapor orar ar agu agua del mar y elev elevar arla la a las las mont ontañas añas para ara que su fuer fuerza za pueda puedaser ser aprov aprovech echada adaal al descend descender er.. La ener energía gíade dell vient iento o es prop propor orcio ciona nada dapo porr elSol el Sol alcal al calen enttarde ar desig sigua ualm lmen entte dist distin inttas masas de aire. El aprovecham aprovechamient iento o directo directo de la energía solar, al tratarse ratarse de una forma forma de energía energía difusa, difusa, variable y poco concentrada, entraña ciertas dificultades, que la tecnología se encarga de solucionar día a día ofreciendo continuamente mejoras. Básicamente hay dos tipos de aprov aprovech echam amie ient nto o dela de la ener energía gía sola solarr, la fotov fotovolt oltaic aica, a, que que conv convier iertte las radi radiaci acione oness solares solares en elect ele ctri ricid cidad ad,, y la térm érmica, ica, que que apro aprov vecha echa elcal el calor or del del sol. Las rad radiaci iacion ones es del Sol son grat ratuitas itas e inag inagot otab able les, s, y su uso ener energé géttico ico es rent entable able a medio edio plazo, permitiendo amortizar su instalación en un corto espacio de tiempo. Las energías alter alternat nativ ivas as son, enm en muchas uchas ocasiones, ocasiones, más económ económicas icas que que las conv convencion encionale ales. s. Pag Pa gina ina5 5
BIOMASA Biomasa, abreviatura de masa biológica, cantidad de materia viva producida en un área determinada delasuperficieterrestre, o por organismos deuntipo específico. Este término es utilizado conmayorfrecuenciaparareferirsea la energía debiomasa, es decir, alcombustible energético que se obtiene directa o indirectamente derecursos biológicos.
Autobús alimentado conuna mezcla degasolinayalcohol obtenido del maíz
La energía de biomasa que procede de la madera, residuos agrícolas y estiércol, continúa siendo lafuente principal deenergíadelas zonas en desarrollo. En algunos casos tambiénes elrecursoeconómicomás importante, como enBrasil, donde lacaña deazúcarse transforma en etanol, y enla provincia de Sichuán, enChina, donde se obtiene gas a partir de estiércol. Los combustibles derivados de la biomasa abarcan varias formas diferentes, entre ellas los combustibles dealcohol, elestiércolylaleña. La leñayelestiércolsiguensiendo combustibles importantes en algunos países en vías dedesarrollo, y los elevados precios del petróleo han hecho que los países industrializados vuelvan a interesarse por la leña. Los científicos están dedicandocada vez más atencióna laexplotacióndeplantas energéticas, aunqueexiste cierta preocupacióndeque si se recurre a granescala a laagricultura para obtenerenergíapodrían subirlos precios delos alimentos. EL BIOGAS El serhumano tienelatradicionalvirtuddeproducirdesperdicios, porloque se hageneradoun impulso para aprovechar la energía que tiene la masa de residuos (BIOMASA). El Biogas conocidocomo¨Gas delosPantanos¨es producidoporlafermentaciónanaeróbica (sinoxígeno) deresiduos orgánicos einorgánicos.Mezclados conaguaydepositados enunrecipientecerrado e impermeable (Biodigestor) a temperaturas entre los 20 y 30 grados centígrados, se descomponen debido a las bacterias anaeróbicas. Las primeras experiencias se hicieron a principios desiglo, evitandola polución que produce la eliminaciónpor incineracióny, además motivadas por las dificultades que produjeronlas guerras enelsuministrodecombustibles. La mayor cantidad deBiodigestores, se construyeron engranjas. ETAPAS Para obtener biogas se presentan tres etapas principales: Hidrólisis, Fase Acida y Fase Hidrogenada.Al finalizarlas cuales se obtieneunGAS yun LIQUIDO. Pagina6
El GAS contiene un 55-70% de Metano,30-40% de Dióxido de Carbono yHidrogeno 1-3% 25 % de otros Gases. El LIQUIDO conocido como BIOFERTILIZANTE (inodoro)contiene 20% de proteínas,un14% más de Nitrógeno y 20 % más de Potasio que igual mezcla de residuos procesados aerobicamente, ycon PH (acidez) de7,5. Otracaracterística de laBIODIGESTION esque el99% delos parásitos (amebas,colis, tenias etc... ) mueren en el proceso. No sólo resuelve problemas de saneamiento sino que además produce combustibleyunfertilizantequeposibilita la independenciaenergéticadela propiedad rural. El proceso digestivo se completa entrelos30y40días produciéndoselamayorcantidad deBIOGAS.
El biogas es generadopor los llamados biodigestores que conviertenlos desechos orgánicos en metano.
Se tienenque renovarlos insumos (residuos) paramantenerlaproducción. Tambiénse deberá limpiar el biodigestor ( 1 a 2 veces al año) cuando los residuos no digeribles alcanzan cierta magnitud, vaciándolototalmente enforma manualo porbombeo.Debetenermecanismos para extraccióndelos lodos ysobrenadantes, acumulaciónyexpulsióndegases, eliminacióndelos sólidos ydispositivos deseguridad contra explosiónyla purga del digestor. En los últimos años se ha trabajado en la utilización de biodigestores plásticos tubulares de flujo continuo para la generación de biogas a partir del estiércol de los animales de granja, principalmente porcinos ybovinos. En los primeros años, el objetivo principal para el establecimiento de biodigestores fue la producción debiogas buscandodisminuir elconsumo deleña o electricidad. Sinembargo, en los últimos años el biodigestor ha tomado una creciente importancia como parte fundamental del sistema detratamiento deaguas negras delas explotaciones agropecuarias. EL BIOGAS PARA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD El biogas puede ser utilizado como combustible para motores diesel y a gasolina, a partir de los cuales se puede producir energía eléctrica por medio de un generador. En el caso de los motores diesel, el biogas puede reemplazar hasta el 80% del combustible, la baja capacidad deignición del biogas nopermite reemplazarla totalidad eneste tipo demotores que carecen debujía para la combustión.Aunque enlos motores a gasolina elbiogas puede reemplazar la totalidaddel mismo. Pagina7
BIODIGESTOR EXPERIMENTAL CASERO El aparato que vamos a construirusauna botellagrandede18 litros como elbiodigestor. Una mezcladeaguaydesechos animales producirá elmetano, elcualrecogeremos enunglobo de goma o de plástico. El frasco de 18 litros funciona como elestómago de un animalvivo yleda a las bacterias que producenelmetano elambiente cálido yhúmedo que necesitan. MATERIALES - Botella de plástico de18 litros. - Globo degoma extragrandeo Pelota inflable. - ConectorT de acuario - Manguera paraacuarios - Válvula paraacuarios (conllave) - Uncorcho que quepa en la boca de la botella - Unmecherobunsen CONSTRUCCION Primero debemos preparar el sistema de recolección de biogas.
1. Cortamos unos 20cmde lamanguerita de plásticoparaacuario,luego insertamos uno de los extremos en el lugar por donde se infla la pelota degoma ysellamos lomejorposible. En lafoto sepuedeverunglobo plateado quetiene una pequeña manguerita por la cual se sopla parainflarla.
2.
Comprobamos si al soplar por la manguerita el globo se infla sin problema. Luego, tomamos el corcho y le hacemos un agujero enelcentroparaluego colocar enéste elconectorT paraacuario.Lo aseguramos con silicona caliente.
3. Ahoraconectamos otrotrozo de40 cmde manguera deplástico para acuario a una llave para acuario. Esta sirve para cerrar o abrir la provisióndeairedel acuarioynos servirá como llavedepaso paraelmetano.En lafoto usamos una llave degas de cocina, lacualsinembargo es muygrande. Pagina8
Válvula
4. En el dibujo al lado se puede ver como se hacenlasdiferentes conecciones. Notaremos que hemos usadounos conectores que sontubos de cobre, que son los recomendados, pero son caros y difíciles de conseguir. Todas las conecciones se pueden hacer por medio de mangueras deacuario quesonbastantegruesas y resistentes. El globo o pelota de goma simplemente sirve como recipiente del gas e impide que elfrascose rompa con lapresión de éste primero. Uno delos extremos dela válvula se conecta a una manguera sujeta a unmechero bunsenenel cual se quema elgas. También se puede usar una pequeña cocinaa gas.
Tubosdegoma
Adaptador T Tubo deCobre Corcho Tapa
Tubodegoma
Globo
PREPARACION DE LA MEZCLA Primero debemos cortaruna botelladegaseosa descartable para hacer un gran embudo, colocamos este enlabocadel frascobiodigestor yvertemosunpocodeestiércol. Usamosunpalito paraempujarelestiércolsi este se bloquea enel embudo. Debemos hacer que llegue hasta la cuarta parte de la botella como máximo. Luego vertemos aguahasta que lleguecasialcuellode la botella, pero sin bloquear la boquilla del conectorT que está enelcorcho. Con unpalolargo removemos lamezcladeagua yestiércoldejando queescapecualquierburbuja d aire que haya quedado atrapada. Finalmente tapamos la botella con elcorchoycolocamos el biodigestor enunlugarcálidocomo una ventana o al lado de un calentador. Si se coloca en una ventana, debemos tapar o pintar la botella de negro para evitar que crezcan algas en el interior. Al cabodeunosdías notaremosqueelglobo o la pelota se comienza a inflar, lo que denota que se está produciendo gas metano. Debemos tratar a este gas con mucho cuidado, pues se inflama fácilmente. En la foto se puede ver el aparato terminado enpleno funcionamiento. Hacemos notar que se usó un globo de mylar (plateado) que se vende el día de los enamorados. Pagina9
ENERGÍA SOLAR
La energía solar es la energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nuclearesdefusión;llegaalaTierraatravésdelespacioencuantosdeenergíallamados fotones. La intensidad de laradiaciónsolarenelborde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a una distancia promedio del Sol, sellama constante solar, ysuvalormedioes 1,37 ×106ergios/s/cm²,ounas 2cal/min/cm².La intensidaddeenergía realdisponibleenlasuperficie terrestrees menorquelaconstante solardebidoa laabsorciónya ladispersióndelaradiación por la interacción de los fotones con la atmósfera de la Tierra. La intensidad de la radiación solarenelborde exterior delaatmósfera se llama constante solar La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada peropredecible, del díadelaño,delahoraydelalatitud.Además,lacantidad deenergía solar que puede recogerse depende dela orientación del dispositivo receptor. TRANSFORMACIÓN NATURALDE LAENERGÍA SOLAR La recogida naturaldeenergíasolarse produce enlaatmósfera, los océanos ylas plantas dela Tierra. Las interacciones delaenergíadelSol, los océanos yla atmósfera, porejemplo, producen vientos, utilizados durantesiglos parahacergirarlosmolinos. Los sistemas modernos deenergía eólica utilizan hélices que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales yespecializados o para alimentarla red eléctrica deuna regióno comunidad. Casi el30% de laenergíasolarquealcanza elbordeexteriordelaatmósfera se consume enel ciclodel agua, que produce lalluviaylaenergía potencial delascorrientes demontaña ydelos ríos.La energíaque generanestas aguas enmovimiento alpasarpor las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica.
Moderna planta hidroeléctrica, en la que la energía mecánica se transforma en energía eléctrica por medio de grandesgeneradores. Pagina10
Gracias alproceso defotosíntesis, laenergía solar contribuye alcrecimiento delavida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan deplantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa. Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan20°C endistancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas se puede crear unciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferiruna cantidada la masa contemperatura menor. La diferenciaentreestas energías se manifiestacomoenergía mecánica(paramoverunaturbina,porejemplo),quepuedeconectarse a ungenerador, para producirelectricidad. Estos sistemas, llamados sistemas deConversión deEnergía TérmicaOceánica(CETO), requierenenormes intercambiadores deenergíayotros aparatos enel océano para producir potencias del ordendemegavatios. ENERGÍA SOLAR DIRECTA Es laenergíadel Sol sintransformarenotros tipos, que nos calienta e ilumina. Es una energía que necesita sistemas decaptaciónydeconcentración; es constante e intermitente (porloque se necesita sistemas dealmacenamiento). USO DE LA ENERGÍA SOLAR Utilización directa: Se realiza mediante técnicas como acristalamientos, receptores, etc.
protecciones,
TRANSFORMACIÓN EN CALOR Para laconversióna bajatemperatura (hasta 90ºC). Se utilizanlos paneles solares que captan laenergíadelsolcon una superficieoscura, yse utilizaparacalentaragua.
Un ejemplodeconcentradorsolarusado para cocinar
Si deseamos laconversióna temperaturas medias (90º-200ºC). Entonces debemos concentrar dicha energía por mediodelupas yespejos, llamados concentradores solares. En el caso de la conversión a altas temperaturas (+200ºC). Se utilizan grandes espejos, heliostatos orientables, quecaptanlaluz. Esta energía calienta las calderas produciendo vapor que mueve una turbinayasí produce electricidad. Pagina11
TRANSFORMACION EN ELECTRICIDAD Las células solares hechas con obleas finas desilicio, arseniurodegalio u otromaterial semiconductor enestadocristalino, conviertenla radiaciónenelectricidaddeforma directa.Ahora se disponedecélulas coneficiencias deconversiónsuperiores al30%. Pormediodelaconexión demuchas deestas células enmódulos, elcosto delaelectricidad fotovoltaica se hareducido mucho.
Las celdas solares convierten la luzdirectamente enelectricidad
VENTAJ AS DE LA ENERGÍA SOLAR Entrelas ventajas delaenergía solar podemos citarlas siguientes: - Es una fuente deenergía inagotable. - Escaso impacto ambiental. - No produceresiduos perjudiciales para el medio ambiente. - Distribuida por todo elmundo, ycon más intensidadenlas zonas con mayor deuda externa(tropicales). - No tienecostos, unavezinstalada. - No haydependenciadelas compañías suministradoras. - El mantenimiento es sencillo. DESVENTAJ AS DE LA ENERGÍA SOLAR Entrelas desventajas podemos citarlas siguientes: - Los paneles fotovoltaicos contienenagentes químicos peligrosos. - Puedeafectara los ecosistemas por la extensión ocupada por los paneles.
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CONCENTRADOR SOLAR Este es un sencillo horno solar del tipo de concentración que puede generar temperaturassuficientementealtas comopara fundiraluminioyotros metales. Siguiendolas instrucciones que se detallan más abajo se puedeconstruirunhorno solardeltamaño que se desee. Consiste depequeños espejos que se pegan enunextremo con silicona yluego se ajustan pormediode unos pernos para que los rayos del sol se dirijan hacia un solo punto o foco. Por tanto, el área total del concentrador es la suma detodos los espejos, loquepermiteque se alcancen altas temperaturas. MATERIALES Necesitaremos: 36pequeños espejos de3cmpor3cm Una lámina o panel demadera venesta gruesa de 30 x 30 cm Pernos pequeños Pegamento de silicona. CONSTRUCCION Primero debemos tomar cada uno de los espejitos ylos colocamos sobreeltablero para ver la disposición de estos. Luego debemos marcar y perforar en los lugares designados para los pernos. El símbolo enla parte inferior izquierda denota el lugar donde se pegará consilicona.
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Como se observa eneldibujo,debemos colocarcadaunodelos espejitos conuna gota desilicona enuno de las esquinas,peroantes debemos colocar debajountrozo depalito de mondadientes, luegosobreestedejamos caer lagota desilicona, esta gota nos servirá como bisagra para acomodar el espejo. Cuanto más pequeños seanlos espejos mayorserá elcalorque seobtenga enelfoco. Para ajustar los espejos debemos tapar con papel o cinta aislante todos los espejos exceptounoqueseencuentrecercadelcentro. Este nos servirá dereferenciaparaajustarlos otros. Tomamos el panel y lo sacamos a un lugar amplio y con sol, colocamos a unos 50 cmunobjetoountrozo decartulina blancaque nosservirádeblanco dereferencia.Ajustamos elespejo sin cubrir (pormedio de los pernos) hastaqueestéhorizontalconrespectoalpanel. Movemostodo elpanelhasta quelaluz quese reflejadelespejolleguealblancodereferencia. Ahora destapamos otro de los espejos y ajustamos los tornillos hasta que la luz que refleja coincida con el reflejo del otro espejo en el blanco de referencia. Cubrimos este espejo recién ajustado y destapamos otro, repitiendo el procedimiento. Luego hacemos lo mismo con todos los demás espejos. Cuando todos los espejos se han ajustado para que la luz que reflejan vayan a un solo punto, los destapamos y hacemos pequeños ajustes si es necesario. Un panel de 6 por 6 espejos es bastante seguro para experimentar, pero recordemos que puede hacer que una bolsanegragruesa puede derretirse en segundos. Luego podemos experimentar con paneles más grandes y un mayor número de espejos. Se puede intentar con un arreglo de 16 x 16 espejos o hasta más grande.
NOTA DE SEGURIDAD Siseconstruyeunpanelgrande, este debe estar cubierto cuando no se usa. Como el sol se mueve, el foco del panel puede causar unincendio. Además es recomendableusargafas obscuras y guantes, pues las temperaturasquese obtienenpueden llegar a sermuyaltas
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ENERGÍA SOLAR ACTIVA Y PASIVA LOS SISTEMAS SOLARES PASIVOS Estos sistemas implicandiseños deestructuras queutilizanlaenergíasolarparaenfriarycalentar. Un sistema pasivo está únicamente basado enconceptos arquitectónicos o geométricos ytrata deoptimizarla energía que llegademaneranatural,para lograr la mejor climatizaciónposible deunedificio (arquitectura solar o bioclimática). Un diseño pasivo es unsistema que capta laenergíasolar, laalmacenayladistribuye deforma natural, sin mediación de elementos mecánicos. Sus principios están basados en las características de los materiales empleados y en la utilización de fenómenos naturales de circulacióndel aire. Los elementos básicos usados por la arquitectura solarpasiva son: Acristalamiento:capta laenergía solar yretieneelcalorigual que un invernadero. Masa térmica: constituida por los elementos estructurales del edificio o por algún material acumuladorespecífico (agua, tierra,piedras, adobe). Tiene como misiónalmacenarlaenergía captada.
En laactualidad los hogares modernos combinan elusodelaenergíasolaractiva ypasiva Las aplicaciones más importantes de los sistemas solares pasivos sonla refrigeración.
calefacción y la
Un ejemplo deenergíasolarpasiva sonlos invernaderos, laenergíasolarrecolectada como luz pasa por las ventanas devidrio yabsorbidaporlaestructura (omasatérmica). La masatérmica puede serhecha deconcreto, ladrillo, adobe u otro material que absorbeelcalor. La masa Pagina15
térmica absorbeelcalordurante eldía ylaliberalentamente durante lanoche. La integracióndecolectores deaire,lautilizacióndeparedes internas comomuros acumuladores decalor(muro «Trombe»)ylaaplicacióndeventiladores, aumentanlaeficacia delossistemas pasivos. Se les conocecomo «híbridos», ya que utilizanciertos sistemas mecánicos activos. En los últimos años, se han mejorado mucholos sistemas pasivos para actividades agrícolas (invernaderos, secaderos, establos), que permiten un considerable ahorro energético en las diferentes tareas agrícolas implicadas. Como nohayningúnaparato mecánico que se usapara distribuiro recogerlaenergíasolar, se llamana estos ejemplos sistemas pasivos. LOS SISTEMAS SOLARES ACTIVOS Necesitanunfluidoquerecojaytransportelaenergíadeorigensolar. Los sistemasdecalefacción SOLAR ACTIVAincluyenequipos especiales queutilizanlaenergíadelsolparacalentaro enfriar estructuras existentes.Estos sistemas se caracterizanpor forzar lacirculación deunfluidoque escalentado enuncolectorsolaryluego sebombea auntanqueparaluego usarlo paracalentar ambientes o para calentaragua. APLICACIONES DOMESTICAS La energía solar térmica está cobrando cada día más importancia para usos domésticos. Se utiliza sobre todo para obteneraguacaliente ycomo combustibledela calefacción. La energíalarecogeuncolectorplano (caja negra orientada alNORTE) que recibelaenergía solara través deuna cubierta transparente.El calorseretieneporefecto invernadero. Elcolector plano contiene un tubo negro en zig zag que contiene el fluido que se calienta. Este colector recibe energía solardirecta ydifusa.
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El aguacaliente que se obtienesale a temperaturas demenos de70ºC. Esteaguacaliente es útil nosólopara viviendas, sino tambiénparahospitales, hoteles, piscinas, fábricas, etc. Los sistemas típicosparacasa- habitaciónempleancolectores fijos,montados sobreeltejado. En elhemisferionorte seorientanhaciaelSuryenelhemisferiosurhaciaelNorte.El ángulo de inclinación óptimo paramontarlos colectores depende delalatitud. En general, parasistemas queseusandurantetodoelaño,comolosqueproducenaguacaliente,loscolectoresse inclinan (respecto alplano horizontal) unánguloigual a los 15°delatitudyse orientanunos 20°latitudS (para las personas que se encuentran enelhemisferio norte) o 20° de latitud N, para los que vivimos alsurdel ecuador. Además delos colectores deplaca plana, los sistemas típicos deagua caliente y calefacción tienen también bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento. El fluido puede ser tanto el aire como unlíquido (aguao aguamezclada conanticongelante), mientras queunlecho derocao un tanqueaislado sirvencomo medio dealmacenamiento deenergía. Calentaraguaporenergíasolartérmicaes unproceso económico,tienealtorendimiento,escaso mantenimiento y es muy limpio (comparándolo con sistemas más convencionales como el petróleo o elgas natural). Otros ejemplos de aplicación doméstica de energía solar son las cocinas solares, los encendedores térmicos, etc.
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CALENTADOR SOLAR
Los calentadores solares sonuntipo desistema deenergíasolaractiva. Estecalentadorsolar es solounprototipo que sirvepara experimentaciónydemostraciones, perosi se haceuno más grandese lepuede dar unusopráctico. MATERIALES Usaremos: Un tubo de metal (mejorsi es de cobre), una caja de madera o de metal, vidrio de las dimensiones de la caja, manguera para acuario (también pueden servir las mangueritas parasueros) ydos latas deleche enpolvo una grandeyotraque quepa enlaprimera. CONSTRUCCION
1. Construiremos lacaja deabsorciónde calor, que es simplemente una caja de madera o metalpintada denegro ensuinterior. En la parte interna de la caja se coloca unas tiras de metal o madera que serviránparaevitarque elvidrio que tiene que colocarseenel interior se vaya hasta en fondo. Notemos unos agujeros en los costados inferiorysuperior delacaja.
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2. Dentro de la caja se coloca el serpentín hecho de tubo de metal (generalmente de cobre porque conduce mejor el calor). Se puede hacer soldando trozos de tubo hasta obtener la forma deseada o se puede doblar un solo tubo que tenga la forma que se muestra en el dibujo. Los agujeros de los costados de la caja deben tener el mismo diámetroque eltubo que se usa.
3. Luego de pintar el tubo de negro mate introducimos losextremos porlosagujeros de la caja y colocamos el vidrio para luego asegurarlo con pegamento de silicona. Con esto ya tenemos lista nuestra cajacolectora.
Finalmente debemos hacer eltanque deagua, que enrealidadconsiste dedos latas deleche en polvo, la pequeña metida dentro de la grande y aislada con plastoform o papel periódico para evitarfugas de calor. El aguadebeentrarpor laparte deabajo. Lo mismo queelagua que entrapor elcolector(serpentín)puesto que elaguafría ocupalaparte inferiordel tanque. La caja colectora se coloca más abajo queel tanque para ayudaral efecto de termosifón que hará circular el agua sin necesidad de bombas. No damos medidas porque las dimensiones serán deacuerdoal materialdisponible.
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COCINAS SOLARES
Calentar con la energía solar es una idea que ha sido utilizada desde tiempos remotos para secar fruta, calentaraguaycocinarvegetales. Sinembargo, laprimera cocina solar que utilizo tecnologia modernase atribuye a HoracedeSaussureque, en1767, fabricó una «caja solar» paracocinar. Durante elsigloXVIII se fabricaronotros prototipos, perocon lallegada del combustiblefósil, cayeron en el olvido. Su popularidad ha crecido a finales del siglo XX como resultado de la desertificaciónocurridapor la tala debosques y elusodearboles como leña. VENTAJ AS Estas cocinas nonecesitanmadera, carbón, diesel, queroseno, parafina,ni electricidad. Ello hace evidente su utilidad en países subdesarrollados, que a su vez padecen a menudo de seria deforestación.Tambiénsonútiles parapromoverunmododevidasostenibleencualquier otro lugar. Cocina solar deltipoparabólico, producenaltas temperaturas Al noproducirhumo,seevitanriesgos enelenfoque queconciernea lasalud, especialmenteen ojos ypulmones. Es muyeconómica, porquenoutiliza combustiblecomo carbón, madera, etc. La cocina siempre es segura yfácil deusar. La construcción es sencilla y estable. La comida nose quema ynonecesita supervisióncontinua,permitiendodedicartiempoa otras tareas. La comida permanececaliente varias horas después de haber sido cocinada. DESVENTAJ AS No funciona sinsol. Las cocinas solares del tipo decaja necesitan mas tiempo para cocinar. Pagina20
No se puede freír lacomida enlas cajas solares. Sonmas complejas quelosfuegos detres piedras, tradicionales enpaíses del «TercerMundo». COMO FUNCIONAN LAS COCINAS SOLARES Las cocinas solares se pueden clasificar en varios grupos, siendo los más extendidos los de tipocajón, conosinreflectores planos ylosqueconcentranlaluz mediantereflectoresparabólicos o lentes fresnel. Básicamente una cocina solar es una doble caja, separadas ambas por unmedioaislante, que es elmismo principiodel mueble delas neveras, conuna abertura, pordonde penetralaluz del sol y cerrada por un cristal o medio transparente, a fin de que el aire caliente no salga al exterior. Esta apertura suelepresentarunángulovariabledependiendo delalatidudenque se encuentre.Al mismo tiempose les dota deuno o mas reflectores que dirigen laluz alinterior de lacaja. El reflector principal (el que se situa perpendicular al sol) puede hacerse graduable para aprovecharmás horas ymás intensamentelaluz solar. Enelinteriordeestas cocinas sepueden alcanzarentre140y150ºC. ylas necesidades dereorientación alSol nosonmuyexigentes. En las cocinas con reflectores parabólicos o lentes fresnelno es necesarioeluso de una caja aislada pues la temperatura en el foco sobrepasa los 600 ºC. Este tipo de cocinas necesitan serreorientadas con frecuencia paraque laluz incida enlaollaynose desperdicieenergía. De todos modos es convenienteevitarpérdidas decalorcubriendo losrecipientes conunacampana decristal.
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COMO CONSTRUIR UNA COCINA SOLAR
Estacocina solarfue diseñada parasustituir a lacocinadeCaja parapequeñas cantidades de comida. Las dimensiones que damos sonapropiadas sólo para una persona. Para cocinar, se puede usar una ensaladera de Pyrexo una bolsa de plástico para hornear, perocomoenBolivianose puedenconseguirestos conmucha facilidad,simplementeusaremos una cacerola de aluminio e incluso hasta simples latas de conservas y de leche enpolvo con excelentes resultados. Nuestra cocina tiene cuatro paneles (verfigura 3 más abajo) la luz que se refleja enel cuarto panelva a parara los paneles 1 y2 desdedonde se reflejaal recipiente. A este diseño se lollama «cajaabierta reflectora»(CAR) paradistinguirlodel diseño originalde la cocina solarde paneles (CSP). La cocina solarterminada, enelinterior se coloca elrecipiente (quepuede serinclusouna lata desechada) conlos alimentos que deseamos cocinar. COMO SE CONSTRUYE
1.Empezamos conuna caja decartónrectangular bastante alta. En una de las caras anchassetrazaunalínea(BC)a5centímetros (aprox.) delabase.
2.Luego cortamos los lados de lacaja(AB y DC) parando enB yC respectivamente. Pagina22
Doblamos el panel frontal ABCD hacia fuera, utilizando BC como bisagra. Pegamos unas cuantas piezas rectangulares de cartón en la base de la caja, para subir la base hasta BC.
3. Cortamos ydoblamos otrapiezadecartón de tal manera que la puedas meter en la caja paraformarlos paneles 1y2(figura3).El ángulo formado por estos paneles debe ser ajustado enelmomento delaconstrucción. Cuandomás pequeño sea elángulo,más concentrará la luz solar, pero, necesitará ser ajustado a cada momento. Cualquier ángulo entre 60º y 90º parecefuncionarbien. Cubrimos esta piezacon papel dealuminio, así como los reflectores 3 y 4. La cocinaque se muestraenlafotografíatiene lassiguientesdimensiones:Largo46cm;ancho: 32 cm ; alto: 42 cm. Estas dimensiones corresponden a una área reflectiva de unos 5.000cm²que dansuficiente calorpara cocinar para dos personas. Podemos usarunlistóndemadera paraajustar el panel frontal (figura 4). La muesca del listón que hayal lado del panel es para poder cerrar el panel para guardar la cocina. Se pueden ponerpiedras uobjetospesados enlosagujeros triangulares quehaydetrás de los paneles 1 y 2, para hacer que la cocina sea más estable contraelviento, etc.
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ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
Fotovoltaica es la conversióndirecta deluz enelectricidad.Algunos materiales presentanuna propiedadconocidacomo efecto fotoeléctrico que hace que absorbanfotones deluz yemitan electrones. Cuandoestos electrones libres soncapturados,elresultado esuna corrienteeléctricaquepuede ser utilizada como electricidad. El primero ennotarelefecto fotoeléctrico fue elfísicofrancés EdmundoBequerel, en1839. Él encontró que ciertos materiales producían pequeñas cantidadesdecorriente eléctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorgó más tarde el premio Nobel de física. El primer módulo fotovoltaico fue construido en los Laboratorios Bell en 1954. Fue descrito como una batería solar y era más que nada una curiosidad, ya queresultaba demasiadocostosocomo parajustificarsuutilizacióna granescala. En la década de los 60, la industria espacial comenzó por primera vez a hacer uso de esta tecnología para proveer la energía eléctrica a bordo de las naves espaciales. A través de los programas espaciales, latecnología avanzó, alcanzó unalto grado deconfiabilidadyse redujo su costo.
Típicoejemplo de celda solar de silicio cristalino
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Las celdas solares estánhechas delamisma clasedemateriales semiconductores, tales como el silicio, que se usan en la industria microelectrónica. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductoraes especialmente tratadapara formaruncampoeléctrico, positivo enun lado ynegativo enelotro. Cuandolaenergíaluminosa llega hasta laceldasolar, loselectrones songolpeados ysacados delos átomos delmaterialsemiconductor. Siponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo dela rejilla, formando uncircuito eléctrico, loselectronespuedensercapturados enformadeunacorrienteeléctrica esdecir, enelectricidad. La electricidad puede entonces serusada para suministrarpotencia a una carga,por ejemplo para encenderuna luz o energizaruna herramienta. Un arreglo devarias celdas solares conectadas eléctricamente unas conotras ymontadas en una estructura deapoyoo unmarco,se llamamódulofotovoltaico.Los módulos estándiseñados paraproveer uncierto niveldevoltaje, como por ejemplo eldeunsistema comúnde12voltios. La corriente producidadependedirectamente decuánta luzllega hasta el módulo.
Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. En general, cuanto más grande es el área de un módulo o arreglo, más electricidad será producida. Los módulos yarreglos fotovoltaicos producencorriente continua(CC). Estos arreglos puedenser conectados tantoenseriecomoenparaleloparaproducircualquiercantidaddevoltajeocorriente que se requiera. Unaventajadelusodomésticodelasceldas solares esqueelproceso fotovoltaicoes totalmente deestado sólidoyautónomo. No existenpiezas móviles ynose consumenmateriales. Pagina25
AUTO SOLAR Hecho con Mater iales Caseros
Este auto solar se construye con ayuda de pocos materiales fáciles de obtener. El único problema sería la celda solar que no se encuentrafácilmenteennuestromedio.Aunque sepuedenusarceldas solares descartadas de máquinas calculadoras. Materiales Trozos de plastoform Ruedas deautos dejuguete Arandelas pequeñas Tubos de puntabola de plástico Motor deauto dejuguete Cables delgados Celda solar Poleas Trozos de alambre o palitos de pacumutu Como se puede verenlafigura de arriba, debemos cortar un trozo rectangular de plastoformparahacer elchasis del auto solar siguiendolas dimensiones que se indican. Se puedehacerunauto deigual o menortamaño. Luego se colocan en ambos extremos unos rectángulos de refuerzo y sobre estos unas armellas. Luego tomamos unas ruedas de juguete y les aseguramos a estas un eje de palo de pacumuto o de alambre. Las ruedas traseras deben teneruna polea yespaciadores. Pagina26
Como sepuedevereneldibujo deabajo, losespaciadores evitanque las ruedas hagan friccióncontraelchasis ysefrenen.Se los hace de trozos de puntabolas de plástico. Las poleas se las puede obtenerdecaseteras en desuso.
Como se ve la forma de colocar el motorcito con su respectiva polea sobre el chasis. La correa de transmisión es de goma yse laobtuvo de lamisma casetera de laque se quitaronlas poleas.El motorse sujeta con untrozodelatao simplementeusandosilicona caliente.
Luego se hacenlas conecciones almotor. Debemos tenercuidado conla “polaridad” esdecirqueelpolopositivo yelnegativo estén conectados de manera correcta al motor, no sea que al funcionar vaya hacia atrás. Debemos conectaruna pila para asegurarnos que el motor gireenla dirección apropiada. Pagina27
En la foto podemos ver el carro solar completo y listo para funcionar. Como se puede notar, estamos usando un panel solar bastante grandeyes que elmotorcito deauto de juguete consume mucha corriente y no funcionaríaconunpanelmenor. Encasodeno tener a mano este tipo de paneles recomendamos usar motorcitos de walkman endesuso. Estos tiene además la ventaja de quevienenconsupropiapoleayfuncionancon muypocacorriente
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ENERGÍA EÓLICA
La energíaeólicaes laenergíaproducida porelviento,su nombre provienedelapalabra “eolo” que es eldios griego de los vientos. La primera utilizacióndela capacidad energética del viento la constituye la navegación a vela. En ella, lafuerza del viento se utilizaparaimpulsarlos barcos.Barcosconvelas aparecían ya enlos grabados egipcios más antiguos (3000 a.C.). Los egipcios, los fenicios y más tarde los romanos teníanqueutilizartambiénlos remos paracontrarrestaruna característica esencial de la energía eólica, su discontinuidad. Efectivamente, el viento cambia de intensidad y de dirección de manera impredecible, por lo que había que utilizar los remos en los periodos de calma o cuandonosoplabaenladireccióndeseada. Hoy, enlos parques eólicos,se utilizanlos acumuladores para producirelectricidaddurante untiempo,cuandoelviento nosopla. Otracaracterística delaenergía producida por elviento es su infinita disponibilidadenfunción lineal a la superficie expuesta a su incidencia. En los barcos, a mayorsuperficie vélica mayor velocidad. En los parques eólicos, cuantos más molinos haya, más potencia en bornes de la central. Enlos veleros, elaumento desuperficievélicatiene limitaciones mecánicas (se rompe elmástilo vuelcaelbarco).Enlosparques eólicos lasúnicas limitaciones alaumento delnúmero demolinos sonlas urbanísticas. MOLINOS Los molinos son máquinas que transforman el viento en energía aprovechable. Esta energía proviene de laacciónde lafuerza del viento sobreunas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria para moler grano, bombear aguao generar electricidad. Cuandoeleje se conecta a una carga, como una bomba, recibe el nombre de molino de viento. Si se usa para producir electricidad se le llama generador de turbinadeviento. LOS PRIMEROS MOLINOS Los molinos movidos por elviento tienen unorigenremoto. En elsigloVII d.C. ya se utilizaban molinos elementales enPersia(hoy, Irán)para elriego ymolerelgrano. En estos primeros Pagina29
molinos larueda quesujetaba lasaspas era horizontalyestaba soportada sobre unejevertical. Estas máquinas noresultabandemasiadoeficaces, peroaún así se extendieronpor China yel Oriente Próximo. En Europa los primeros molinos aparecieron en el siglo XII en Francia e Inglaterra y se distribuyeron por el continente. Eranunas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para levantar sus aspas al viento.El molino detorrese desarrollóenFrancia a lolargo del sigloXIV. Consistía enunatorre depiedracoronadapor una estructura rotativa demadera que soportaba eleje del molino yla maquinariasuperiordelmismo. APLICACIONES Y DESARROLLO Además deemplearsepara el riego y moler el grano, los molinos construidos entre los siglos XV y XIX tenían otras aplicaciones, como el bombeo de agua entierras bajo el nivel del mar, aserradores demadera,fábricas depapel,prensadodesemillas paraproduciraceite, así como paratriturartodo tipo demateriales. En elsigloXIX se llegarona construirunos 9.000molinos enHolanda. El avance más importante fue la introducción del abanico de aspas, inventado en 1745, que giraba impulsado por el viento. En 1772 se introdujo el aspa con resortes. Este tipo de aspa consiste enunas cerraduras demadera que se controlan deforma manual o automática, a fin de mantener una velocidad de giro constante en caso de vientos variables. Otros avances importanteshansidolosfrenos hidráulicosparadetenerelmovimientodelasaspas ylautilización de aspas aerodinámicas en forma de hélice, que incrementan el rendimiento de los molinos con vientos débiles. El uso de las turbinas de viento para generar electricidad comenzó en Dinamarca a finales del siglo pasado y se haextendidopor todo elmundo. Los molinos para el bombeo de agua se emplearon a gran escala durante el asentamiento enlasregiones áridasdel oeste deEstados Unidos.
Moderna turbina deltipoSavonius
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TURBINAS DE VIENTO MODERNAS Las modernas turbinas deviento se muevenpor dos procedimientos: el arrastre, enel que el viento empuja las aspas,ylaelevación, enelque las aspas se muevende unmodo parecido a las alas de un avión a través deuna corriente de aire. Las turbinas quefuncionanporelevación girana más velocidady son, porsu diseño, más eficaces. Las turbinas de viento pueden clasificarse en turbinas de eje horizontal, en las que los ejes principales están paralelos al suelo y turbinas de eje vertical, con los ejes perpendiculares al suelo. Las turbinasdeejes horizontales utilizadas paragenerarelectricidadtienendeuna a tres aspas,mientrasquelasempleadas para bombeopuedentenermuchasmás. Entrelasmáquinas deeje verticalmás usuales destacan las Savonius, cuyo nombre provienedesus diseñadores, yque se emplean sobretodo parabombeo;ylas Darrieus, una máquinadealta velocidadque se asemeja a una batidora dehuevos.
Turbina de ejevertical del tipo Savonius
Turbina de eje verticaldel tipo Darrieus, con los ejes perpendiculares alsuelo Pagina31
MOLINO PARA BOMBEAR AGUA Es unmolino conunelevado momento detorsión y debaja velocidad, se emplean sobretodo paradrenaraguadel subsuelo.Estas máquinas se valen deuna piezarotatoria,cuyo diámetro sueleoscilarentre2y5m, con varias aspas oblicuas que partendeun eje horizontal. La pieza rotatoria se instala sobre una torre lo bastante alta como para alcanzar el viento. Una larga veleta enforma detimóndirigelarueda haciaelviento. La rueda hace girar los engranajes que activan una bomba de pistón. Cuando los vientos arrecian en exceso, unos mecanismos de seguridaddetienendeforma automáticala pieza rotatoria para evitardaños enelmecanismo.
GENERADORES ELÉCTRICOS Los científicos calculan que hasta un 10% de la electricidad mundial se podría obtener de generadores deenergía eólica a mediados del siglo XXI. Paraproducirenergíaeléctricaapartirdelvientose requiereungeneradoreólico.Sefundamenta enelmismo principioque losmolinos deviento. Consiste enuna turbinaeólicacuya energíaes proporcionalalcubode lavelocidaddelviento. Porlotanto, sólo es de interés cuando elviento es suficientemente fuerte (más de20km./hora)ysoplaconregularidad.
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PARTES DEL GENERADOR EÓLICO Un generador eólicoestá constituidopor: 1-2-3 LasAspas:El airepasa sobre la parte superior delaspa más rápido que sobrelas parte inferior. La velocidad más alta sobre el aspa provoca un ascenso o tirón hacia arriba que la hace girar sobreeleje 5 que conecta algenerador. Esteprincipio es elque mantienelas aves yaeroplanos envuelo. 11 Un generador de Electricidad: El movimiento rotatorio se transfiere directamente a través del ejeal generador, deesta forma se induce una corriente eléctrica. 15 Torre de soporte: Es una estructura en la cual van montadas las aspas y el generador de electricidad Cablesdetensión:Soncables quesirvendesoporteparasostenerlatorreyquenoseaderribada porelviento. Sistema de orientación de las palas delrotor: Capaces de variar suposición paraquelas palas esténsiempre perpendiculares yasí aprovecharsu energía.
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12-13-14 Sistema deregulación: Permitenque las aspas del rotorgiren siempre a velocidad constante. Los generadores de turbina de viento tienen estos y otros componentes. El rotor convierte la fuerza del viento enenergíarotatoriadel eje,una caja deengranajes aumenta lavelocidadyun generador transforma laenergía del eje enenergíaeléctrica.En algunas máquinas deeje horizontallavelocidaddelas aspas puede ajustarse yregularse durante sufuncionamiento normal, así como cerrarse encaso deviento excesivo. Otras emplean unfreno aerodinámico que con vientos fuertes reduce automáticamente la energía producida. Las máquinas modernas comienzanafuncionarcuandoelvientoalcanzaunavelocidaddeunos19km/h, logransumáximo rendimiento convientos entre40y48km/hydejandefuncionarcuandolosvientos alcanzanlos 100km/h. Los lugares ideales paralainstalación delos generadores deturbinas sonaquellos enlos que elpromedioanual delavelocidaddel viento es decuandomenos 21 km/h.
LAS GRANJ AS DE VIENTO
La energíaeólica, quenocontaminaelmedioambientecongases niagravaelefectoinvernadero, es una valiosa alternativa frente a los combustibles no renovables como el petróleo. Los generadores deturbinas deviento para producción deenergía a granescala yderendimiento satisfactorio tienenuntamañomediano (de 15a 30metrosdediámetro,conuna potenciaentre 100 y 400 kW). Algunas veces se instalan en filas y se conocen entonces como granjas de viento. En California se encuentran algunas delas mayores granjas deviento del mundoysus turbinas puedengenerarunos 1.120MW depotencia(una centralnuclearpuede generarunos 1.100MW). El precio delaenergía eléctrica producida poreste medioresulta competitivo conotrasmuchas formas de generación de energía. En la actualidad Dinamarca obtiene más del 2% de suelectricidad de las turbinas de viento, también empleadas para aumentar el suministro de electricidada comunidades insulares yenlugares remotos. En España se inauguróenelaño 1986 un parque eólico de gran potencia en Tenerife, Canarias. Más tarde se hicieron otras instalacionesendistintos lugares deesepaís. La energíaeólicasupone un6% delaproducción deenergíaprimariaenlos países delaUniónEuropea. Pagina34
Los generadores a veces se instalanenfilas yse conocen entonces como granjas deviento VENTAJ AS DE LA ENERGÍA EÓLICA Entrelas ventajas deeste tipo deenergía renovablepodemos citarlas siguientes: - Evita la importación de carbón, petróleo y materiales radiactivos (favorece el autoabastecimiento). - Evita grandes impactos ambientales como la lluvia ácidayelefecto invernadero. - Es barata yno produceresiduos. - La tecnología necesaria parainstalarla es sencilla. - Creapuestos detrabajo. - Los espacios ocupados puedenpermitir la actividad agrícola. - No depende del cambio del mercado internacional. DESVENTAJ AS DE LA ENERGÍA EÓLICA Las desventajas sonrealmente muypocas, entreestas podemos citar: - Los impactos sobre lafauna yflora. - Seguridad para evitar los accidentes provocados al caer los aerogeneradores. - Ruido.
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TURBINA SAVONIUS Materiales · Botella de plástico de 1.5litros · base de madera · Pegamento . Imanes . Trozo de alambregrueso . Unled . Alambreesmaltado de0,4mm CONSTRUCCION Este es un sencillo aerogenerador del tipo savonius que se puede hacer con pocos materiales. Se pueden usar los materiales que tengamos a la mano, por esta razón no se dan dimensiones. 1. Tomamos los imanes y los sujetamos por medio de pegamento en la base de plàstico o cartón cortada en forma de disco. En la foto se muestraeluso deundisco deplásticoendesuso.
2. Ahora tomamos el alambre de cobre esmaltado ysobre untrozodecartónenrollamos unas 300 espiras del alambre. Debemos hacer cuatro de estas bobinas y suejtarlas talcomo se ve enlafoto. Se conectan cada una raspandolosextremos delosalambres con lija para quitar el esmalte. Se conecta el extremo exterior con el interio de la siguiente bobina. Luegose sujetantodas las bobinas enuna base demadera.Las terminalesdedos delas bobinas se conectana los extremos deunLed. Pagina36
3. Ahora se hacen las paletas del molin, para esto tomamos dos trozos rectangulares de cartulina o papel grueso y encolamos en una forma condos mitades semicirculares tal como se ve enlafoto. Debido a que usamos plástico, hemos hecho unas hendiduras enelborde para que elpapel se sujete mejor conelpegamento.
4. Luegosetomaunavarillademaderadeforma cilíndrica (nosotros usamos una varilla para cocinar carne a laparrilla) yla introducimos por el medio de las paletas y nos aseguramos que estén perfectamente equilibradas. Posteriormente se asegura todo elconjunto con pegamento desilicona caliente enbarra.
5. Ahoratomamos untrozo dealambregrueso y hacemos un rizo al centro, en donde irá el extremo superiordel eje(varilla de madera) de las paletas.Calculamos laaltura delas paletas y doblamos elalambre ysujetamos los extremos enla basede madera. Las paletas deben girarlibremente ylos imanes no deben quedar muy arriba de las bobinas ni tampoco deben tocarlas. Antes de sujetar definitivamente se coloca uncartónquesirve de espaciador. Luego comprobamos que las paletas girenlibrementetalcomoseveenlafoto. No nos olvidemoscomprobarla verticalidaddel conjunto para qeu las paletas giren correctamente. En lafoto enque se muestralas paletas girando se puede apreciar que el led se enciende.
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ENERGÍA GEOTÉRMICA
La energía geotérmica usala energía delos geíseres que expulsan aguacaliente ylas aguas termales. QUE ES LAENERGIAGEOTERMICA Se llama energía geotérmica a laque se encuentraenelinterior delatierra enforma decalor, como resultado de la desintegración de elementos radiactivos y el calor permanente que se originóenlos primeros momentos deformacióndel planeta. Esta energía se manifiesta por medio de procesos geológicos como volcanes en sus fases póstumas, los geíseres que expulsanaguacaliente ylasaguas termales. Para poder extraer esta energía es necesaria la presencia de yacimientos de agua cerca de estas zonas calientes.La explotacióndeesta fuente deenergíase realizaperforandoelsueloy extrayendo elagua caliente. Si su temperatura es suficientemente alta, el agua saldrá en forma de vapor y se podrá aprovecharpara accionar una turbina. USOS DE LAENERGÍAGEOTÉRMICA Balnearios:Aguas termales que tienenaplicaciones para lasalud. Calefacción yagua caliente. Electricidad: La conversión de la energía geotérmica en electricidad consiste en la utilización deunvapor, que pasa a través deuna turbinaque está conectada a ungenerador, produciendo electricidad. Extraccióndeminerales: Seobtienendelosmanantiales azufre,salcomún, amoniaco, metano yácido sulfídrico. Agricultura yacuicultura: Parainvernaderos ycriaderos depeces. Pagina38
VENTAJ AS DE LAENERGÍAGEOTÉRMICA - Es una fuente que evitaría ladependenciaenergéticadel exterior. - Los residuos queproducesonmínimosyocasionanmenorimpactoambientalque losoriginados por elpetróleo, carbón, etc. DESVENTAJ AS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA - Emisiónde ácido sulfídrico que se detecta porsu olora huevo podrido, pero que engrandes cantidades nose percibe y es letal. - Emisión deCO², conaumento deefecto invernadero. - Contaminacióndeaguas próximas consustancias como arsénico, amoniaco, etc. - Contaminacióntérmica. - No se puede transportar. C OMO S E AP R OVE CHA LA E NE RGÍA GEOTÉRMICA Las plantas geotérmicas aprovechan el calor generado por la tierra. A varios kilómetros de profundidad en tierras volcánicas los geólogos han encontrado cámaras magmáticas, conroca a varios cientos degrados centígrados. Además enalgunos lugares se dan otras condiciones especiales como son capas rocosas porosas y capas rocosas impermeables que atrapan agua y vapor deagua a altas temperaturas ypresiónyqueimpidenqueéstos salgan a la superficie. Si se combinan estas condiciones se produce unyacimiento geotérmico. El vapor continúa hacia las turbinas que con su rotación mueve ungenerador que produce energía eléctrica. Después de la turbina el vapor es condensadoyenfriadoentorres ylagunas. La geotermia es una alternativa energética que debería incrementarse, aprovechando en diferentes procesos, como en cascada, el agua cada vez menos caliente que se saca del subsuelo. Podría usarse en procesos industriales la energía que desprende el líquido a alta temperatura, agua menos calienteenalgunos tratamientos textiles o delaindustriadealimentos y tibia para llevarla a balnearios sin necesidad de utilizar combustibles ni electricidad para calentarencalderas. La energía geotérmica se convierte enelectricidad usando elvapor, que pasaa través deuna turbinaque está conectadaa ungenerador, produciendoelectricidad Pagina39
En centrales geotérmicas, el vapor y el calor y el agua caliente de las reservas geotérmicas proporcionan la fuerza que hace girar los generadores de turbina y produce electricidad. El agua geotérmicautilizadaes posteriormente devuelta a inyecciónalpozohacialareserva para serrecalentada, paramantenerlapresiónyparasustentarlareserva. Las plantas geotérmicas, como las eólicas o solares, no queman combustibles para producir vapor que gire las turbinas. La generación de electricidad con energía geotérmica ayuda a conservar los combustibles fósiles norenovables, y con el menor usodeestos combustibles, reducimos las emisiones que ensuciannuestra atmósfera.Hayunaire sinhumo alrededorde las plantas geotérmicas, dehecho algunas estánconstruidas enmediodegranjas decereales o bosques, ycompartentierra conganadoyvida silvestrelocal. El áreadeterrenorequerido por lasplantas geotérmicas por megavatioes menorque otrotipo deplantas. Las instalaciones geotérmicas nonecesitanintervenirríos o talarbosques,ynohay instalaciones mineras, túneles, piscinas dedesecho nifugas decombustible. Desde que la primera electricidad generada geotérmicamente fue producida en Larderello, Italia, en1904, elusodelaenergíageotérmica paraelectricidadhacrecido a lolargo del mundo hasta 7.000 MW en 21 países. Sólo Estados Unidos produce 2.700 MW de electricidad por energía geotérmica, electricidadcomparable a la producida quemando 60millones debarriles depetróleo alaño. Silenciador
Separador
Generador
Silenciador
Fluido
Magma Pagina40
TURBINA GEOTERMICA EXPERIMENTAL Este es un modelo de la forma en que funciona unaturbinaenuna centralgeotérmica. MATERIALES Los materiales que usaremos son los siguientes: un trozo de lata, una lata pequeña de pintura, un trozo dealambregrueso yaccesoriosdemeccano (opcional). CONSTRUCCION 1. El primer paso consiste en construir la rueda peltondeuntrozo delata.Trazamos uncírculo en la lata, alrededor del eje central y luego otro más grande. Luegodividimos elcírculo enocho partes iguales y cortamos con unas tijeras para lata el círculo mayor. Obtendremos undisco al que hay que cortar a lo largo de las divisiones, hacia el centro.
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2. Torcemos cada aleta obtenida hacia laizquierda en un ángulo de unos 70 grados. Hacemos un agujero al medio en donde deberá caber el alambre grueso, que será el eje. Debe estar bien al centro para que no se produzcavibraciónalgirar. El discosesujeta alalambre consoldadura..
3. Se usandos barras de un juego de meccano de una longitud iguala laaltura de lalata que usaremos.Si no disponemos de estas barras se pueden usar dos tiras demetal, latóngruesoo inclusodos listones gruesos demadera. En unextremo se deberá perforar un agujero por le cual pasará el alambre que hacedeeje.La manera más fácildeasegurarlas barras consiste enatarlas conalambre delgado, las barras no se puedensoldara lalata porqueelcalorpodría derretir lasoldadura.Antes deasegurar las barras se coloca la rueda haciendo pasar su eje por los agujeros, luego hacemos subir y bajar las barras hasta que la rueda peltonquedebienhorizontal. La ruedadebeestaraunos 5cmdelatapa de lalata de pintura o de leche en polvo (lacaldera). Debemos haceruna perforaciónenlatapa de lacaldera, laque además debe sera presiónyNO a rosca. Este agujero debe tener un diámetro no mayor que lacabezadeunalfiler yquedar justo pordebajode las aletas de la rueda pelton y un poco por delante. El buen funcionamiento de la turbina depende de la posicióndeesteorificiolocual se lograexperimentando. FUNCIONAMIENTO Llenamos la lata (o caldera) con agua hasta la mitad y después de taparla bien la colocamos sobre una hornalla.Al hervirelaguasaldráunchorrodevaporque será dirigido contra las aletas, lo que hará girar velozmente a larueda pelton.
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ENERGÍA HIDRÁULICA
QUE ES LA ENERGÍAHIDRÁULICA La energía hidráulicaes laquese obtiene de la caídadelagua desde cierta altura a unnivelinferior, loque provoca elmovimiento deruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es unrecursonaturaldisponible enlaszonas que presentansuficiente cantidaddeagua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos, aunque elcoste demantenimiento deuna centraltérmica, debidoal combustible, sea más caro que eldeuna central hidroeléctrica. COMO SE APROVECHA El aprovechamiento de la energía hidráulica se lleva a cabo en las centrales hidroeléctricas, normalmentesituadas enlos embalses.Unacentralhidroeléctricaconstadelas siguientes partes: Embalse: Lugardondese acumula elaguadel río.Además regulaelcaudaldelrío. Tuberías forzadas: Enlazan el embalsecon la sala de máquinas, ysoportangranpresión. Canalde descarga:Canalpor elque se redistribuye elagua alrío. Central o sala demáquinas: Edificio donde se sitúan: Pagina43
- Turbinas:Máquinas enlas quese transforma energíacinética del aguaenenergíaderotación. - Generador- alternador: Dispositivo unido a la turbinaque convierte la energía derotaciónen energía eléctrica. - Transformador: Transforma la energía que se produce en el generador en una corriente de baja intensidad, para transportarla a largas distancias dela central.
Represa Embalse
Central o sala demáquinas Transformador
Lineasde Distribucion
Generador
Tuberías forzadas
Turbinas
Canal de descarga
VENTAJ AS DE LAENERGÍA HIDROELÉCTRICA Las ventajas de la energía hidráulica son: que es renovable, no contaminante y que produce muchaenergía. DESVENTAJ AS DE LAENERGÍA HIDROELÉCTRICA Los inconvenientes delaenergía hidráulicason:quees muycaro construirsus infraestructuras, depende de los factores climáticos, supone un impacto medioambiental ya que se inundan valles. QUIENES LAINVENTARON Los antiguos romanos y griegos aprovechaban ya la energía del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo. Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de cargaretrasó su aplicacióngeneralizada hasta elsigloXII. Durante laedadmedia,lasgrandes Pagina44
ruedas hidráulicas demadera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos. La energía hidroeléctrica debesu mayordesarrollo alingeniero civilbritánicoJ ohn Smeaton, que construyó por vez primera grandes ruedas hidráulicas dehierrocolado. La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó las industrias textilydel cuero ylos talleres deconstruccióndemáquinas a principiosdel sigloXIX. Aunque las máquinas devaporya estabanperfeccionadas, elcarbónera escaso y la madera poco satisfactoria como combustible. La energía hidráulicaayudó al crecimiento delas nuevas ciudades industriales que se crearon enEuropa yAmérica hasta la construcción decanales a mediados delsigloXIX, que proporcionaroncarbóna bajo precio. Las presas ylos canales eran necesarios para la instalación de ruedas hidráulicas sucesivas cuando el desnivel era mayor decinco metros.
TurbinaoruedaPelton del tipomoderno
DESARROLLO DE LA ENERGÍA HIDROELÉCTRICA La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimientodelaenergía hidráulicase produjoporeldesarrollodelgeneradoreléctrico,seguido delperfeccionamiento delaturbina hidráulicaydebidoalaumentodelademanda deelectricidad aprincipiosdelsigloXX. En1920lascentraleshidroeléctricas generabanyaunaparteimportante de la producción total de electricidad. La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante elsigloXX. Los generadores estánsituados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales. El diseño delas turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizanpara caudalesgrandes ysaltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos ypequeños caudales.
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Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuandoelcaudalesuniforme.Estas instalaciones se llamandeaguafluente.Unadeellas es lade las Cataratas delNiágara, situada enlafrontera entre Estados Unidos yCanadá. A principios deladécada delos noventa, lasprimeras potencias productoras dehidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas. Los países enlosque constituye fuente deelectricidadmás importante son Noruega(99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, lapresaGrand Coulee, enEstados Unidos, generaunos 6.500Mwyes una delas más grandes. En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre unkilovatioyunmegavatio.Enmuchas regiones deChina,porejemplo, estas pequeñas presas sonlaprincipalfuente deelectricidad.Otras naciones envías dedesarrollo estánutilizandoeste sistema conbuenos resultados.
GENERADOR
Estator Rotor
EjedelaTurbina
Flujo de Agua
Paletas Pagina46
GENERADOR HIDRAULICO Estegeneradorhidráulicoexperimental se construye conmateriales fáciles deconseguirporla casa.La turbina peltonensí está hecha de cucharas de plástico yelgeneradores unarreglode bobinas e imanes cuya interaccióngeneran la electricidad. COMO FUNCIONAN LOS GENERADORES En 1831elcientíficoMiguel Faraday realizóun experimento elsiguienteexperimento: cuando movía un imán en una bobina de alambre, se producía electricidad en el alambre. La electricidadsólose producía cuandose movía el imán dentro de la bobina de alambre, si el imán permanecía inmóvil no se producía electricidad. Este efecto se conoce como “Inducciónelectromagnética”o“efectofaraday”. MATERIALES Usaremos: Alambre esmaltado No.30 AWG, imanes, plásticoo cartón, uncorcho mediano, cucharas de plástico, un trozo de alambre grueso o palito de pacumuto y una brújula (opcional). CONSTRUCCION
1. Primerodebemos construirelgeneradorde electricidad. Este consiste de cuatro bobinas dealambre esmaltado, cada una de300a 400 vueltas de alambre esmaltado No. 30 o más delgado, aunque se puede usar cualquier alambre esmaltado que se encuentrea mano. Debemos envolver éste sobre una forma cilíndrica, como untrozo decartónenrolladoo unenvasedeplástico.
2. Luego tomamos el alambre enrollado y aseguramos los costados con cinta aislante paraqueéste nose desenrolle.Necesitaremos cuatrobobinas.
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3. Ahoradebemos limpiarelesmaltedelosextremos delalambredelas bobinas(conpapeldelija)yunirlas enserie,esdecirunirextremoconextremoformando una “cadena”. Luego comprobamos conuntestersi los alambres estánbienconectados entresí.
4. Una vez comprobadas las conecciones procedemos a sujetar con silicona caliente las bobinas a un disco de cartón o, mejor aún, de plástico.
5. Conseguimos cuatro imanes obtenidos de parlantes endesusoo similares yconayuda deuna brújula encontramos el polo norte de cada uno de ellos. Si no tenemos una brújula a mano, simplemente tomamos una aguja pequeña y la frotamos contraunimán, luego lacolocamos sobre untrocito depapel yhacemos flotarenunplato con agua. Con esta brújula caserapodremos que todos los polos decada imán coincidan.
6. Encolamoslos imanesenundiscoconlas mismas dimensiones yelmaterialqueelanteriordisco. Para esto usamos lasilicona caliente.Los imanes deben coincidirenelpoloque va haciaabajo.
7. Como podemos ver en la fotografía, se colocan los imanes en la misma posición en la que se colocaronlas bobinas enelotrodisco. Pero dejando un espacio con relación al borde. Posteriormente, cada imán debe ir sobre la parte central de las bobinas.
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8. Luegotomamos uncorchodetamañomediano y le hacemos 8 marcas espaciadas uniformemente. Paraesto hacemos unas marcas en una hoja de papel cuidando que estas se encuentren a igual distanciaunas deotras, luego colocamos elcorchosobre laplantilla yhacemos la marcas. Posteriormente perforamos unos agujeros grandes encada una delas marcas.
9. Tomamos 8 cucharillas de plástico, les cortamos elmangodejandounos 3 cm, afilamos unpoco las puntas conuna cuchillae insertamos con cuidado cada una de ellas en las perforaciones hechas en el corcho. Con esto ya tendremos lista unaturbinapelton.
10. Ahora necesitamos hacer el contenedor de todo el conjunto, el cual no es más que un bidón deplásticodeformaaplanada. Conayudadeunas tijeras cortamos labase del bidónyhacemos una perforaciones a los costados para que entre en estas elejedealambregrueso ovarillademadera parasujetarcarnea laparrilla.
11. Luegoperforamos elcorchopor elmedio, lo mismo que los dos discos. El disco con las bobinas debetenerunagujeromás grandepuesto queelejedebegirarenestelibrementeysinhacer fricción. Luegoencolamoseldiscoconlas bobinas haciendo coincidir con uno de los agujeros del costado delbidón, talcomoseveenlafoto allado.
12. Tomamos la turbina pelton , la introducimos enelbidóny hacemos pasar eleje de alambre o palito de pacumuto tal como se ve en el dibujo. Para evitarque laturbina se vaya a los costados hay que colocar unos tubos de plástico, que se obtienendepuntabolas endesuso. Pagina49
13. El rotor, que es laparte que gira con ayuda de la turbina es el disco con los imanes. El disco con las bobinas se llama estator. Debemos cuidardeque los imanes estén cerca de las bobinas, pero no deben tocarlas ni interferir en el giro. Si esto ocurre se puedenaplanarunpoco las bobinas.
Finalmente solo queda hacer ingresar agua por la boquilla del bidón con ayuda de una manguera y dirigiendo el chorro hacia las cucharas. El bidón cumple la función de evitar que el agua salpique y tambiénfunciona como soporte paratodo elaparato. La corrienteproducida pueda quenosealosuficiente como para encenderunfoquito pero si puede hacer funcionar un Led. De todas maneras hay que comprobarprimerosu funcionamiento conayuda de untester.
Bobinas Bidon
Eje Cucharas Imanes en disco Tubos de plástico
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Podemos y debemos aprovechar lo que Dios nos da para vivir en paz con su creación. Miguel Vargas
Usemos la energía renovable que es mas barata.
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