Electricidad y energía

Electricidad parece que está por todas partes: fluye en nuestros cuerpos para alimentar nuestros corazones, los rayos constantemente caen sobre la tierra a aproximadamente 100 descargas por segundo y la mayoría de las fabricas y oficinas del mundo funcionan con electricidad. Pero solo parece que está en todas partes, aún hay casi mil millones de personas sin acceso a la electricidad en el mundo, mayormente en comunidades rurales. El problema principal siempre ha sido que la electricidad siempre se producía en unos pocos lugares seleccionados y luego se distribuía desde allí en una red eléctrica a hogares y negocios, cuya expansión puede ser muy costosa. A pesar de que ni siquiera llega a todos en el planeta, la red eléctrica provoca importantes daños ambientales que afectan a todos.

Sistemas FV pueden ayudar a solucionar ambos problemas: aceso a la energía y la contaminación que produce las fuentes de energía non-renovables como carbón. Sistemas FV conectados a la red se puede utilizar para ayudar a reducir los impactos ambientales del uso de electricidad y sistemas FV autónomos puede ayudar a proporcionar energía a áreas donde la red no llega, ya que pueden producir, almacenar y proporcionar energía en forma de electricidad incluso en los lugares más remotos.

Derecha - La mayoría de las redes eléctricas dependen de formas centralizadas de generación (carbón, gas natural, nuclear, hidroeléctrica a gran escala para producir electricidad que se distribuye a los hogares a través de la transmisión y líneas de distribución.
Izquierda - Los sistemas fotovoltaicos autónomos (fuera de la red) son independientes de este sistema.

Un sistema FV debe diseñarse para que coincida con las características del sistema eléctrico en la zona y las necesidades energéticas del usuario final. No solo los diseñadores e instaladores de sistemas autónomos deben comprender a fondo la electricidad y la energía, sino también los usuarios para asegurarse de que no dañen su sistema al usarlo más allá de sus capacidades. Los principales conceptos que es necesario comprender son:

• La corriente
• La tensión
• La resistencia

Estos son los componentes básicos de incluso los sistemas eléctricos más complejos.

¿Que es la electricidad?

Una sección transversal de un alambre de cobre con sus átomos agrandados. Los electrones fluyen de un átomo a otro en su camino desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración.

La electricidad es una fuerza creada del componente básico de toda la materia: los átomos. Todos los átomos son compuestos por tres componentes principales: neutrones (sin carga), protones (carga positiva) y electrones (carga negativa). De estos tres, el único que puede moverse libremente de un átomo a otro es el electrón (carga negativa). Los electrones pueden acumularse en concentraciones más altas en algunos lugares y crear una carga negativa general. O puede haber una falta de electrones, lo que crea una carga positiva general. Los electrones desean fluir desde áreas de alta concentración de electrones a áreas de baja concentración de electrones. No todos los átomos o materiales tienen electrones libres que puedan moverse fácilmente como la madera, el plastico o las piedras. A estos los llamamos aislantes. Los metales y el cobre son buenos conductores, ya que tienen abundantes electrones libres.

Las pequeñas descargas eléctricas estáticas que recibimos de nuestra ropa son el resultado de una diferencia en electrones de su cuerpo y la prenda de ropa; esta diferencia es "tensión". A medida que los electrones pasan de su cuerpo a esa prenda de ropa, se crea una "corriente".

Circuitos

La electricidad estática y los rayos no son útiles para la humanidad ya que no están en sistemas controlados. La electricidad debe estar contenida dentro de un sistema eléctrico compuesto por circuitos para que se use de manera adecuada y segura. Un circuito eléctrico básico es un circuito cerrado construido con lo siguiente: 1. Una fuente de energía que tiene o puede crear un desequilibrio de electrones entre dos puntos, que es la tensión. 2. Material conductor, como cables, que permite que los electrones fluyan desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración. Este flujo es la corriente. 3. Una carga o algún medio para restringir el flujo de electrones. Sin una carga o alguna forma de restringir el flujo de electrones, la diferencia de electrones creada por la fuente de energía llegará rápidamente a cero.

Los circuitos pueden estar en varios estados:

• Cerrado: Conectado, encendido, funcionando. Un circuito correctamente conectado con una carga que tiene corriente fluyendo.
• Abierto: Desconectado, apagado, deshabilitado. Un circuito que no está conectado o apagado y que no tiene corriente.
• Corto: Falla, conexión incorrecta de baja resistencia. Un circuito que se ha construido incorrectamente sin suficiente resistencia, como una carga, para restringir el flujo de corriente. Un circuito en estado de cortocircuito permitirá que fluya tanta corriente como sea posible hasta que se agote la fuente de alimentación. Si una carga está conectada en paralelo con un cortocircuito, como en el diagrama, la carga puede dejar de funcionar debido a tensión / corriente insuficiente.

<anchos de galería = 250px> Closedcircuit.png|Circuito cerrado:
Un circuit que está funcionando. Los electrones fluyen y la bombilla está encendida. Opencircuit.png |Circuito abierto:
Un circuito que está desconectado, posiblemente debido a un interruptor, sin que fluyan electrones. Shortcircuit.png |Cortocircuito:
Un circuito que funciona incorrectamente con una ruta de baja resistencia para que fluya la corriente. La tensión cae casi a cero cuando los electrones toman el camino de baja resistencia. </galeria>

Las características de la electricidad

La electricidad es casi siempre invisible, pero usar algo que actúa de forma similar - agua - para hacer que el concepto sea mas comprensible. Un circuito con batería - como en los gráficos anteriores - opera a un cierto tensión y corriente, de manera similar un sistema básico utilizado para transportar y almacenar agua opera con cierta presión y volumen.

• La tensión de un circuito eléctrico es similar a la presión en un sistema de agua.
• La corriente de un circuito eléctrico es similar al caudal en un sistema de agua.
• Los cables y la carga en un circuito eléctrico crean resistencia. Las tuberías y los dispositivos que consumen agua, como un rociador, también crean fricción.

Tensión

La tensión es la fuerza que mueve los electrones en un circuito y se mide en voltios (V). Se puede considerar como presión eléctrica y en un circuito con una batería, la tensión está determinado por el tipo de batería y la cantidad de energía que tiene almacenada. La tensión es similar a la presión creada en el sistema de agua. Depende de la cantidad de agua que contenga.

Corriente

La corriente es el flujo de electrones en un circuito y se mide en amperios o amperios (A). La corriente es similar al volumen de agua que fluye en el sistema de agua. Depende de la cantidad de agua que permita que fluya la válvula y de la presión en el sistema.

Resistencia

La resistencia (R) es una fuerza que resiste el flujo de la corriente y está presente en todos los materiales y todos los sistemas eléctricos. Se mide en ohmios (Ω). Si los cables de un circuito eléctrico son demasiado pequeños para la cantidad de corriente que necesitan transportar, generarán fricción y calor. Como resultado, se pierde tensión. Del mismo modo, las tuberías por las que fluye el agua en el sistema de agua pueden generar fricción si hay demasiada presión o volumen tratando de pasar por ellas.

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  Tensión:
  Izquierda - Un tanque de agua lleno tiene mucha presión.
  Derecha - Un tanque de agua vacío no tiene presión.

• 

  Corriente:
  Izquierda - Una válvula que está completamente abierta permite que fluya un gran volumen de agua.
  Derecha - A La válvula que está casi cerrada permite que fluya un volumen bajo de agua.

• 

  Resistencia:
  Izquierda - La válvula se abre parcialmente con una pequeña tubería que crea fricción y reduce el volumen.
  Derecha - La válvula parcialmente abierto con un tubo grande que permite que el volumen pase fácilmente.

Potencia: vatios

La potencia (P) es una medida del trabajo realizado en una unidad de tiempo. La cantidad de electricidad que se consume, que es potencia, en un circuito eléctrico depende tanto de la tensión como de la corriente del circuito. En los sistemas eléctricos, la potencia se mide en 'vatios (W)' Un vatio es una medida de la energía producida o consumida en un segundo. La potencia también se expresa comúnmente en kW (1 kW = 1000 W) y MW (1 MW = 1,000,000 W) en sistemas más grandes. De manera similar, si el agua que fluye del sistema de agua se usa para realizar un trabajo, como hacer girar una rueda, la potencia que se use dependerá tanto del volumen como de la presión del agua suministrada. Una carga ineficiente en un sistema eléctrico o sistema de agua requiere mas potencía para funcionar que una eficiente.

• 

  Potencia:
  Izquierda - Una presión y un volumen más altos tienen más potencia y harán que la rueda gire más rápido.
  Derecha - La baja presión y el volumen harán que la rueda gire lentamente.

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  Eficiencia:
  Izquierda - Una carga ineficiente requiere mucha potencia.
  Derecha - Una carga eficiente requiere poca potencia.

La fórmula para calcular la potencia en un sistema eléctrico es:

Potencia (P)	= tensión (V) × corriente (I)

Se puede generar la misma cantidad de energía utilizando cantidades variables de tensión y corriente. Por ejemplo:

• 1000 vatios = 10 voltios × 100 amperios
• 1000 vatios = 100 voltios × 10 amperios

Todos los aparatos deben tener una etiqueta con su consumo de energía nominal. Muchas veces se expresa en voltios y amperios en lugar de vatios. Con estos dos valores, se puede calcular fácilmente la potencia (W) de de la carga.

La ecuación también se puede reorganizar para resolver por cual quier variables faltante. Si tiene dos de las tres variables (P, V, I), entonces se puede resolver la tercera. Por ejemplo:

Ejemplo 1: Un teléfono celular está cargando. Está conectado a una batería de 12V y hay 1A de corriente fluyendo. ¿Cuánta energía se consume?

• P = 12 V × .5 A

W = 6 W

Ejemplo 2: Un televisor utiliza 48 W de potencia. La batería a la que está conectada tiene una tensión de 12 V. ¿Cuánta corriente (I) fluye?

• 48 W = 12 V x I

I = 48 W ÷ 12 V

I = 4 A

Ejemplo 3: Una pequeña bomba de agua está llenando un tanque. Es una bomba de 440 W y hay 2 A de corriente fluyendo. ¿Cuál es la tensión del sistema?

• 440 W = V × 2 A

V = 440 W ÷ 2 A

V = 220 V

Energía: watt-hora

Un medidor de electricidad típico para una conexión a la red. La mayoría de los medidores miden la energía consumida en kWh. Si está conectado a la red, se le cobrará un precio por kWh consumido.

La potencia es un vistazo rápido a la cantidad de energía que se consume o produce. Para un sistema eléctrico, este es un valor importante, pero de igual importancia entender el consumo de energía a lo largo del tiempo. El consumo de energía a lo largo del tiempo se mide en vatios-hora (Wh) o kilovatios-hora (kWh). Un vatio-hora es el consumo de 1 W de energía durante 1 hora. La fórmula para calcular vatios-hora es sencillo:

Vatio-hora (Wh)	= potencia (P) × tiempo en horas (t)

• El tiempo en horas puede ser una fracción o un porcentaje si es necesario.

'Ejemplo 1:' Se conecta una radio y reproduce música durante 3 horas. La radio dice en la parte posterior que consume 7 W de potencia.

• Wh = 7 W × 3 horas

Wh = 21 Wh

Ejemplo 2: El motor de un ventilador dice que requiere 60 W. El ventilador se deja encendido durante la noche durante 12 horas.

• Wh = 60 W × 12 hours

Wh = 720 Wh