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 todo 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
• El voltaje
• 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 a partir del componente básico de toda la materia: los átomos. Todos los átomos están 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 "voltaje". 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 el voltaje. 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 voltaje / 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. El voltaje 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 voltaje y corriente, de manera similar un sistema básico utilizado para transportar y almacenar agua opera con cierta presión y volumen.

• El voltaje 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.

Voltaje

El voltaje 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, el voltaje está determinado por el tipo de batería y la cantidad de energía que tiene almacenada. El voltaje 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

Resistance (R) is a resistance to current that is present in all materials and all electrical systems and it is measured in Ohms (Ω). If the wires in an electrical circuit are too small for the amount of current that they need to carry, it will create friction and heat. Voltage is lost as a result. Similarly, the pipes through which the water flows in the hydraulic system can create friction if there is too much pressure or volume trying to pass through them.

• 

  Voltage:
  Left - A full water tank has a lot of pressure.
  Right - An empty water tank has no pressure.

• 

  Current:
  Left - A valve that is completely open allows a high volume of water to flow.
  Right - A valve that is nearly shut allows a low volume of water to flow.

• 

  Resistance:
  Left The valve part way open with a small pipe creating friction and reducing volume.
  Right - The valve part way open with a large pipe allowing the volume to easily pass through.

Power: watts

Power (P) is a measurement of work done in a unit of time. How much electricity is being consumed, which is power, in an electric circuit depends upon both the voltage and the current of the circuit. In electrical systems power is measured in watts (W) A watt is a measure of the energy produced or consumed in one second. Power is also commonly expressed in kW (1 kW = 1000 W) and MW (1 MW = 1,000,000 W) in larger systems. Similarly, if water flowing from the hydraulic system is used to perform work, like spinning a wheel, the power that is used will depend upon both the volume and the pressure of the water supplied. An inefficient load in an electrical system or hydraulic system will consume more power than an efficient one.

• 

  Power:
  Left - Higher pressure and volume has more power and will cause the wheel to spin faster.
  Right - Low pressure and volume will cause the wheel to spin slowly.

• 

  Efficiency:
  Left - An inefficient load will consume a lot of power.
  Right - An efficient load will consume little power.

The formula for calculating power in an electrical system is:

Power (P)	= voltage (V) × current (I)

The same amount of power can be generated with by using varying amounts of voltage and current. For example:

• 1000 watts = 10 volts × 100 amps
• 1000 watts = 100 volts × 10 amps

All appliances should have a label with their rated power consumption on them. Often times it is in volts and amps rather than watts. You can easily calculate watts from these two values.

The equation can also be rearranged to solve for missing variables. If you have any two of the three variables (P, V, I), then you can solve for the third. For example:

Example 1: A cell phone is plugged into to charge. It is connected to a 12V battery and there is 1A of current flowing. How much power is being consumed?

• P = 12 V × .5 A

W = 6 W

Example 2: A television is using 48 W of power. The battery that it is connected to has a voltage of 12 V. How much current (I) is flowing?

• 48 W = 12 V x I

I = 48 W ÷ 12 V

I = 4 A

Example 3: A small water pump is being used to fill a tank. The pump is a 440 W pump and there are 2 A of current flowing. What is the voltage of the system?

• 440W = V × 2 A

V = 440 W ÷ 2 A

V = 220 V

Energy: watt-hours

A typical electricity meter for a grid connection. Most meters measure energy in kWh. If you are connected to the grid, you will be charged a price per kWh consumed.

Power is a quick look at how much energy is being consumed or produced. For an electrical system this is an important value, but it is equally important to understand power consumption over time. Energy consumption over time is measured in watt-hours (Wh) or kilo-watt-hours (kWh). A watt-hour is the consumption of 1W of power for 1 hour. The formula for calculating Watt-hours is simple:

Watt-hours (Wh)	= power (P) × time in hours (t)

• Time in hours can be a fraction or percentage if necessary.

Example 1: A radio is plugged in and plays music for 3 hours. The radio says on the back that it consumes 7 W of power.

• Wh = 7 W × 3 hours

Wh = 21 Wh

Example 2: The motor on a fan says that it requires 60 W. The fan is left on during the night for 12 hours.

• Wh = 60 W × 12 hours

Wh = 720 Wh