aprovechamiento de la descarga de un rayo
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APROVECHAMIENTO DE LA DESCARGA ELÉCTRICA DE UN RAYO RECIBIDA POR EL PARARRAYOS EN UNA EDIFICACIÓN
Alejandra Aristizabal Buitrago
Medellín, septiembre de 2009
CONTENIDOS
Introducción P. 3
1. Resumen p. 4
2. Agradecimientos p. 5
3. Objetivos p. 6
4. Planteamiento del problema: p. 7
5. Marco teórico p. 12
6. Metodología y procedimientos p. 15
7. Análisis de resultados p. 17
8. Conclusiones p. 19
Bibliografía p. 20
Anexos p. 21
INTRODUCCIÓN
Este proyecto surge con la idea de buscar fuentes de energía alternativas y limpias
para poder sustituir a otras que emiten altos índices de contaminación lo que afecta
a nuestro planeta Tierra. Considero que esto es un gran esfuerzo por el que debe
luchar la humanidad, para poder reducir al máximo las emisiones de CO2 y otros
gases que generan altos niveles de contaminación porque estos son los
encargados de generar el calentamiento global de nuestro planeta.
Cada vez se necesita consumir más energía y esto se debe al continuo desarrollo
para poder generar bienestar en la sociedad, muchas de estas energías no son
renovables entonces se irán agotando por esta razón, se deben buscar unas que si
lo sean pero que contaminen lo menos posible.
La energía se quiere conseguir de las descargas eléctricas sin la necesidad de altos
costos para lograr los resultados propuestos.
1. RESUMEN
Con este proyecto se busca la manera de aprovechar la descarga eléctrica de un rayo
para calentar agua en un proceso industrial. Al utilizar la energía del rayo estaríamos
disminuyendo u omitiendo por un determinado tiempo el uso de la energía
convencional, ya sea de gas o carbón. Se sabe que los rayos son aleatorios, por esta
razón el proceso industrial no dependería 100% de la energía que proporciona la
descarga eléctrica, pero si le sería muy provechosa porque ya no se necesitaría tanto
la energía no convencional, que probablemente no sería renovable y contaminaría el
ambiente en un porcentaje mucho mayor. Además, utilizar la energía del rayo tiene un
precio mucho menor, porque el rayo no tiene costo, aunque lo que si vale es el montaje
de este proyecto.
Para que se pueda atraer la mayor cantidad posible de rayos y sea más eficiente el uso
de esta energía se deberán utilizar los pararrayos ionizados, que además de proteger
atraen los rayos.
El montaje de este proyecto se ejecutaría en una fábrica donde se necesite agua
caliente para sus procesos industriales, la cual estará ubicada en un lugar estratégico
donde haya más posibilidad de descargas eléctricas, es decir, donde haya un alto nivel
ceráuneo como por ejemplo en Caldas o La Estrella , municipios de Antioquia. En
conclusión este es un proyecto que si se implementa exitosamente en una industria
podría maximizar utilidades reduciendo los costos energéticos del proceso en el cual se
utilice, obteniendo un gran provecho económico y ambiental.
Sin embargo, se deben tomar medidas de precaución porque es un tema que puede
ser muy peligroso y las personas encargadas de realizar el proceso deben estar
capacitadas.
2. AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a todas las personas que me ayudaron a realizar este proyecto, entre
las cuales se encuentran: mi profesora de física Liliana Leiva, mi papa Juan José
Aristizabal, mis tutores, Andrés Emiro Díaz de la Universidad Pontificia Bolivariana y
Rafael Patiño, Gabriel Jaime López quien me ayudó con la cámara termográfica para
una medición más exacta de la temperatura del agua. También le quisiera agradecer a
El Parque Explora por permitirme participar en esta feria de la ciencia y a la
Universidad Pontificia Bolivariana por facilitarme el laboratorio de electricidad en el cual
se hicieron todos los experimentos para medir que tanto calentaba el agua.
3. OBJETIVOS
• Diseñar un mecanismo que aproveche la energía de la descarga eléctrica de un
rayo para el calentamiento de agua
• Proponer diferentes usos de la energía de la descarga eléctrica de un rayo en
procesos industriales.
4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3.1. Justificación del estudio
Este proyecto pretende encontrar la forma de utilizar la energía de un rayo atraída por
un pararrayos. Además, se quiere encontrar una forma de cuidar el medio ambiente,
creando mecanismos para aprovechar energías que posiblemente por falta de
investigación no se han detectado y estas pueden ser muy provechosas porque en la
medida que se utilicen nuevas fuentes de energía no se tendrían que utilizar
permanentemente otras como el carbón y algunos derivados del petróleo, las cuales
generan y emiten dióxido de carbono a la atmósfera, afectando mucho el
medioambiente. También se podría utilizar la energía hidroeléctrica, puesto que la
contaminación que emite es despreciable pero trabajar con esta energía es muy
costoso y además se necesita el agua el cual es un recurso vital para todos los seres
humanos y en general los seres vivos, por esta razón hay que cuidarla y no
malgastarla.
La finalidad de este proyecto es conseguir energía de una descarga eléctrica. Para ello
se propone la idea de diseñar un calentador de agua para una edificación,
específicamente en una fábrica que requiera utilizar agua caliente para sus procesos
industriales. Como las descargas eléctricas a tierra son aleatorias, se deberá tener una
fuente alterna de energía en el proceso industrial. La edificación tendrá varios
pararrayos los cuales son estructuras metálicas buenas conductoras de electricidad y
serán los que conducirán la descarga eléctrica a tierra, evitando así, muertes,
accidentes y daños. Cuando llega la descarga eléctrica a cualquiera de los pararrayos
la corriente pasa por el metal del pararrayos y luego se divide en 3 haciendo así un
circuito paralelo, una de estas ramas va a dirigir el rayo a tierra y las otras dos van a
desviarlo pero finalmente todos llegan a tierra, la corriente pasaría por un cable de
cobre grueso ajustado a un tanque relleno de agua y ésta es la que va hacer calentada.
Para que este trabajo pueda tener más aplicación, se necesita seguir investigando para
ver si en el futuro sería más factible inducir la captura de los rayos mediante
instrumentos más sofisticados pero con la misma finalidad de los pararrayos actuales,
los cuales simplemente son barras metálicas (neutras) que solo tienen la función de
proteger un área determinada, pero lo ideal sería buscar la manera de que los
pararrayos renovados puedan estar cargados positivamente al igual que la tierra y así
el rayo busque específicamente este instrumento para hacer su descarga, y así los
resultados puedan ser mucho mejores. Los pararrayos ionizados pueden aplicarse para
este propósito.
Las instalaciones tendrán unos medidores de campo eléctrico que al detectar que la
atmósfera esta cagada eléctricamente se accionan las bombas en caso de que no
exista un circuito cerrado, para que haya agua en rotación dentro de los conductos en
el momento que se captura un rayo para que así esta agua se pueda calentar y luego
ser utilizada.
Cuando hay una descarga eléctrica, se consigue calentar el agua, permitiendo que
mediante unos controles de temperatura se logre disminuir o suprimir temporalmente la
llama del quemador de la fuente alterna de energía, economizando combustible y
ayudando al medio ambiente por la reducción de emisiones de gases y cenizas. Las
descargas eléctricas buscan la manera mas fácil de llegar a tierra, por esta razón la
forma de los rayos no es una línea recta completamente porque busca lo espacios de
la atmósfera donde haya menos resistencia y además buscan el sitio u objeto más alto
para llegar a tierra rápidamente. Por esta razón se inventaron los pararrayos como una
forma de que se descarguen en una barra metálica y no en otro sitio cercano causando
muertes o daños.
3.2. Antecedentes del problema
El ingeniero Francisco Román Campos de la Universidad Nacional de Colombia, se
interesó mucho en el tema de las tormentas y de las descargas eléctricas. La pasión
frente a este tema le ayudó a innovar un método para utilizar la energía de las nubes
en una tormenta, también se inventó un medidor y un generador, logrando buenos
resultados y haciéndolo merecedor del premio de la fundación Alejandro Ángel Escobar
en el 2005.
Realizó estudios y buscó e interpretó estadísticas para darse cuenta que en algunas
zonas de Colombia, los rayos queman con frecuencia los transformadores de energía y
se tenía que invertir mucho dinero para las reparaciones,
Francisco José y su grupo de investigación de la Universidad Nacional de Colombia
desarrollaron un método que aprovecha las fuerzas que existen entre las cargas
negativas de las nubes y las positivas que están en la tierra. Este método consiste en
producir unas descargas eléctricas muy pequeñas, conocidas como las descargas
"Corona". Gracias a este mecanismo es posible extraer energía del campo eléctrico de
las nubes.
La innovación de su estudio fue encontrar que sobre un objeto metálico sumergido en
un campo eléctrico se produce una división de cargas eléctricas: las positivas se van
hacia arriba, las negativas hacia abajo, pero la carga total en el cuerpo es cero.
Perfeccionó una alarma que anuncia cuándo va a caer un rayo, ya que le incluyó
nuevas funciones al medidor como el mostrar la temperatura del ambiente, la presión,
la humedad y la velocidad del viento que fueron datos muy importantes.
La cantidad de energía transferida de un rayo es aproximadamente 300 GJ, este dato
depende del tipo de rayo, de la zona de formación, y de muchísimos más factores.
Un kilovatio hora es 3,6 MJ (Mega Julios), así que un rayo sería capaz de descargar
unos 83333 kilovatios hora. Una casa por lo general gasta 2 kilovatios hora, así que un
rayo podría alimentar unos 40000 hogares durante una hora.
Al año caen alrededor de16 millones de rayos pudiendo utilizar una energía total de
4800 millones de GJ, suficiente para alimentar 640.000 millones de hogares durante
una hora, o 26000 millones de hogares durante un día ó 73 millones de hogares
durante un año, Tenemos mucha energía desperdiciándose al igual que gran cantidad
de la energía solar y la energía que se desprende en una erupción volcánica.
Manejar los rayos y adaptarlos al consumo humano sería difícil porque no se sabe
donde se van a formar, ni cuando, pero se podrá buscar los sitios donde caigan hayan
más descargas eléctricas.
3.3. Pregunta de investigación
¿Cómo lograr utilizar la energía de un rayo, atraída por un pararrayos, en el diseño de
un calentador de agua para una edificación?
3.4. Viabilidad y factibilidad
Almacenar la energía de un rayo no es factible ya que la descarga eléctrica es muy
grande, tiene mucha energía y es muy rápida porque se da en menos de un segundo
(entre 40 y 200 microsegundos), pero creemos que se podría calentar agua porque la
descarga eléctrica es como una chispa que tiene asociada altas temperaturas.
Este proyecto es factible en Colombia porque según la norma técnica Colombiana
NTC4552, una de las 3 zonas con mayor incidencia en descargas eléctricas es
Suramérica tropical, al estar Colombia ubicado en la zona de confluencia intertropical,
presenta altas actividades eléctricas atmosféricas y estas se podrán aprovechar mucho
con el proyecto.
Finalmente la experimentación es la que nos mostrara si el proyecto pensado es viable
o no.
5. MARCO TEÓRICO
El rayo es una descarga eléctrica que se produce entre nubes (80%) o de nubes a
tierra (20%), en un día hay más o menos tres millones de rayos en el planeta pero a la
tierra sólo caen unos seiscientos mil, estas descargas muchas veces son visibles y
tienen trayectorias desiguales y ramificaciones irregulares.
La carga eléctrica se produce porque las nubes se van cargando negativamente en su
base y positivamente en la cima.
Aproximadamente el 90% de todos los rayos que van desde las nubes hasta el suelo
son negativos; el resto son positivos. También se pueden producir rayos desde la tierra
hacia las nubes pero son poco frecuentes, en particular este fenómeno se da desde la
cima de las montañas o desde objetos alto como las antenas de radio.
La mayoría de los destellos de rayos son sucesos múltiples compuestos de hasta 42
'rayos' principales, cada uno de los cuales está precedido por un rayo guía. Todos
siguen una trayectoria ionizada inicial que puede ramificarse junto al flujo de corriente.
La descarga eléctrica es un paso de electrones por la atmosfera que va ionizando las
moléculas del aire y al regresar a su estado normal, producen la luz que se conoce
como relámpago. El aumento de temperatura (hasta un valor cercano a 30000 °C) en la
zona por donde pasa la descarga y el brusco aumento de presión debido al
calentamiento producen las ondas de sonido que constituyen el trueno. La velocidad de
propagación del sonido en el aire es del orden de 1200 km/h, de modo que el tiempo
transcurrido entre el avistamiento del relámpago y el trueno permite estimar la distancia
del observador al punto de ocurrencia del rayo.
Una nube típica que produce rayos es la conocida como Cumulonimbus que puede
tener una base de 4 km de diámetro, y estar a una altura de 2 km sobre la superficie.
Crece mucho verticalmente, puede alcanzar varios kilómetros desde su base. Un
tiempo típico para la duración de la descarga de un rayo, desde esa altura, es de 10
milésimas de segundo.
La duración de un rayo no supera los 0,0002 s, por esta razón es muy difícil llegar a
almacenar la energía de un rayo.
Los pararrayos se utilizan para proteger los edificios de los rayos, se instalan barras
metálicas desde el suelo hasta una altura superior al punto más alto del tejado. Los
pararrayos establecen una vía con baja resistencia para el paso de la descarga y evitan
así que la carga atraviese la estructura del edificio, normalmente los cables por donde
se descargan los rayos van por fuera del edificio para que haya menor probabilidad de
daños.
Durante una sola tormenta una estructura elevada puede ser golpeada muchas veces,
puesto que se rompe el aislamiento del aire dejando el camino libre para otras
descargas eléctricas.
El aire es un mal conductor de energía eléctrica por esta razón puede ser como un
aislante, cuando en las nubes están muy cargadas negativamente tratan de
descargarse a tierra, pero si no está lloviendo este fenómeno se vuelve más difícil
entonces la nube se tiene que cargar más para que pueda haber una descarga, por
tanto cuando cae el rayo este es normalmente mucho más fuerte que los que hay
cuando hay lluvia, por esto se les denomina rayos secos y son mucho más peligrosos
porque pueden causar más daños que los otros.
Durante una tormenta eléctrica el lugar menos convenientes para estar es debajo de un
árbol porque al tener gran altura son más propensos a ser alcanzados por los rayos ya
que la naturaleza siempre va a buscar el camino más corto y fácil, el tronco de los
arboles es de madera y esta no es muy buena conductora pero cuando cae lluvia esta
queda húmeda y como el agua es un buen conductor de electricidad entonces podría
atraer más las descargas eléctricas. Lo más seguro para una persona que está fuera
de su casa es permanecer en el interior de un coche con estructura metálica porque
está conectada a tierra y al ser de metal tiende a liberar más fácil sus electrones, por
tanto si cae un rayo en un coche este se puede descargar en el suelo fácilmente, otra
alternativa es acostarse en el suelo de un lugar descampado.
Los rayos no siempre están asociados con truenos y pueden llegar a matar más
personas que los tornados o los huracanes. Provocan un 40% de los incendios de
granjas y muchos bosques se queman por su acción. Sin embargo, no todo lo relativo a
los rayos es negativo. El suelo se enriquece con el nitrógeno liberado desde la
atmósfera por los rayos y transportado por las gotas de lluvia. Algunos científicos creen
que los rayos pueden haber sido un elemento esencial en el origen de la vida en
nuestro planeta, con la creación de los compuestos químicos complejos que dieron
lugar a la materia viva a partir de elementos simples.
6. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS
5.1. Metodología
Se utilizó una metodología experimental, en donde se realizaron varias pruebas,
modificándole a cada una de ellas ciertos objetos o materiales, para poder obtener los
resultados a los que se quería llegar, ver si el agua se calentaba.
Los materiales necesitados para el experimento exitoso fueron los siguientes:
• Un clavo de acero que hacía las veces de pararrayos en la edificación.
• Un alambre de cobre que se encargaba de hacer la puesta a tierra.
• Un recipiente plástico que se utilizo para almacenar el agua.
• Una edificación que fue construida con piezas de madera.
Estos experimentos fueron realizados el laboratorio de electricidad de la Universidad
Pontificia Bolivariana, utilizando un equipo de alta tensión para simular las descargas
atmosféricas. Puede producir desde 0 Voltios hasta 120.000 Voltios, con una potencia
de 30 KVA, pero su corriente es casi despreciable
Para producir la descarga y que esta incida en la maqueta de la casa a probar, la punta
captadora Franklin (usualmente llamada para rayos) de la casa (simulada con un
clavo), se conecta a la tierra del sistema elevador de tensión, y un electrodo que hará
las veces de nube, se ubica a aproximadamente 20cm sobre la casa. El electrodo es
conectado al transformador de alta tensión, y se procede aumentar gradualmente el
voltaje hasta que se rompe la rigidez dieléctrica del aire, tal y como ocurre en una
descarga atmosférica real. La descarga se produce entre el electrodo (nube) y el clavo
(para rayos).
5.2. Procedimientos
El primer experimento que hicimos fue utilizando un clavo de acero, que hacía las
veces de para rayos y este se introducía en el recipiente de agua más o menos hasta
la mitad para que pasara la corriente de la simulación del rayo, se hizo el experimento,
la casa quedo intacta, el rayo pasaba por el clavo y luego por el alambre de cobre
hasta llegar a tierra, pero el agua solo se calentó dos grados centígrados, lo cual era
despreciable entonces le introducimos a el recipiente unos anillos de aluminio para
permitir que la energía pasara por ahí y luego seguiría su ruta por el clavo hasta llegar
a tierra, pero tampoco funciono, se pensó en otros montajes lograr los resultados.
El primer cambio que se le hizo fue remplazar el recipiente de plástico por uno de
metal, pero antes de probarlo nos dimos cuenta que no funcionaria porque pasaría
rodeando el recipiente hasta llegar al clavo sin que el agua obtuviera cambios de
temperatura, el otro era el mismo montaje con el recipiente de plástico pero a este se le
introducía una maya metálica, el siguiente experimento fue con una edificación que
tenía un pararrayo pero este solo sostenía el recipiente y se encontraba tapado pero la
descarga se iba por todo el exterior, no tenía ningún efecto en el agua y esto nos llevo
a descubrir el experimento que fue el que funcionó, la tapa solo funcionaba como un
aislante para el rayo, como ya no la tenía entonces la descarga eléctrica le tocaba
atravesar el agua hasta llegar al clavo y esto era lo que producía el cambio en la
temperatura. El agua aumento 17°C, empezó con una temperatura de 23°C y terminó
estando a 40°c.
Las mediciones de temperatura se hicieron con una cámara termográfica para poder
obtener resultados más fiables y exactos. (Ver anexo #1)
7. ANALISIS DE RESULTADOS
En experimento nos dimos cuenta que una descarga era capaz de calentar agua y
pudimos ver cuánto calor se trasfirió a la masa de agua.
En experimento se utilizaron 50 ml de agua. La temperatura inicia fue 23°C y la
temperatura final fue 40°C.
Calor= masa × capacidad calorífica × cambio de temperatura
Q=m×c×∆T
*Calor: cal
*Masa: gr
*Capacidad calorífica: cal
*Temperatura: grados centígrados
*∆T: (temperatura final menos la temperatura inicial)
Densidad=Masa (gr) Volumen (cm³)
Como sabemos la densidad del agua y el volumen entonces podemos despejar la
masa.
Densidad (gr) × Volumen (cm³) = Masa (gr) (cm³) 1 gr × 50 cm³ = 50 gr cm³
Sabemos la capacidad calorífica del agua, 1cal/g °C, la cantidad que utilizamos de
agua en gramos, 50gr y el cambio de temperatura 17°C.
Q= 50gr × 1 cal × (40°C – 23°C) g °C
Q= 500 Cal ó 2,092 Joules.
Esta cantidad de calor fue la que se trasfirió a la masa de agua que había dentro del
recipiente de plástico.
El agua calentó porque la descarga eléctrica le tocaba la mayoría de las veces
atravesar el agua para poder llegar hasta el clavo, pocas veces pasaba por el
recipiente plástico. Esto se debe a que el agua es buena conductora de energía en
cambio el plástico es todo lo contrario, es un aislante y por esta razón es más difícil que
la descarga busque este camino.
En el experimento se pudo ver claramente como los 50 ml de agua aumentaban la
temperatura, esto se deberá realizar con un prototipo de dimensiones mayores para
constatar que independiente a la cantidad de agua que haya en el recipiente se pueda
apreciar un incremento en la temperatura.
8. CONCLUSIONES
Las descargas atmosféricas tienen mucha energía pero se da en un tiempo muy corto,
por esta razón es difícil almacenarla pero si debemos encontrar la forma poderla utilizar
puesto que es una energía alterna, limpia y renovable entonces es de gran importancia
y ayudara a bajar los índices de contaminación a nuestro planeta, además esta podría
llegar a ser menos costosa que muchas otras. Este es un tema que se debe manejar
con mucha responsabilidad porque puede llegar a ser muy peligroso si no se toman las
suficientes medidas de precaución.
Se sugiere que las personas que trabajen con los rayos sea personal capacitado y
mejor aun si en este lugar no es encuentren personas sino que todo este manejado
desde otro lugar por computadores u otros aparatos tecnológicos para prevenir de
algún suceso que pueda causar muertes o heridos.
Se sabe que los rayos son aleatorios entonces no debemos esperar que caiga el rayo
sino que se deberá conseguir pararrayos ionizados o algo que permita atraparlos o
simplemente atraerlos, para que este proyecto si sea rentable.
Un desarrollo posterior de esta investigación deberá evaluar qué pasa con descargas
que provean mayor corriente, pues los experimentos realizados se basaron en alto
voltaje pero baja corriente.
BIBLIOGRAFÍA
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Atmosféricas, NTC 4552, Colombia: ICONTEC.
http://www.fing.edu.uy/if/olimpiadas/Pruebas_iberoamericanas/Teorica2008.pdf
ANEXOS
8.1 Cámara termográfica
Prototipo de edificación con tanque
Termografía 1. Temperatura medida 23,6 °C
Termografía 2. Temperatura medida 28,1 °C
Termografía 3. Temperatura medida 28,9 °C
Termografía 4. Temperatura medida 30,7 °C
Termografía 5. Temperatura medida 33,3 °C
Termografía 6. Temperatura medida 34,8 °C
Termografía 7. Temperatura medida 36,3 °C
Termografía 8. Temperatura medida 39,8 °C
Termografía 9. Temperatura medida 41,5 °C
Termografía 10. Temperatura medida 41,5 °C
Termografía 11. Temperatura medida 41,7 °C