Propuesta de diseño de un dispositivo generador de energía

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INTRODUCCION

La electricidad es una forma de energía que, a pesar de su conocimiento y su dominio son relativamente recientes, se encuentra en todas las facetas y actividades de cualquier sociedad desarrollada. La utilización de la electricidad represento una importante evolución en las soluciones tecnológicas que dan respuestas a les necesidades de la humanidad.

En esta investigación a grandes rasgos se mostrará la finalidad sobre la energía de las tormentas eléctricas y sobre las repercusiones que tiene esta energía para el ser humano. Los rayos se originan por la transferencia súbita de la carga eléctrica acumulada en la nube a otra nube o a tierra. A esta transferencia también se la conoce como descargas atmosféricas, y son consideradas un fenómeno natural de grandes magnitudes y enorme potencial eléctrico, generando consecuencias asociadas al impacto de las mis más. Las descargas atmosféricas se presentan a lo largo de todo el planeta, con distintas frecuencias dependiendo de la zona geográfica. Se han llegado a, Además, los datos resultan aún más abrumadores si hablamos a nivel global, ya que en el planeta Tierra caen unos 8.640.000 cada día, cada segundo 100, lo que equivaldría a la energía de 1.252 millones de litros de petróleo, una fuente que de ser posible captar y almacenar se convertiría en una reserva energética enorme. A pesar de que el impacto directo de un rayo resulta en daños para las personas, edificaciones, y animales; las consecuencias que son resultado de un impacto indirecto, como la caída de rayos sobre los tendidos aéreos, son mucho mayores y comúnmente incluyen grandes pérdidas económicas. 

INTRODUCCION        2

ANTECEDENTES        5

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA        11

Justificación:        12

Objetivo general        14

Objetivo especifico        14

METODOLOGIA.        14

Hipótesis        16

Variables        16

Universo:        16

Población:        16

Muestreo:        16

Marco teórico        17

1 CONCEPTOS ELECTRICOS PREVIOS        17

1.1 Carga eléctrica        17

1.1.1 Carga puntual        17

1.1.2 Campo eléctrico        17

1.1.3 El Campo eléctrico de la tierra        18

Conducción en la atmósfera        18

1.3.1 La electrósfera        18

1.4 La Tormenta eléctrica        19

1.4.1 Células de tormenta        19

1.4.2 Tipos de descargas atmosféricas        20

2.1 Teoría Benjamín Franklin        22

2. 1 Estudio de Pararrayos        23

2.2 Teoría de Operación        24

3.1 Propiedades del grafeno        24

3.1.2 Propiedades electrónicas del grafeno        25

3.1.3 Propiedades mecánicas del grafeno        25

3.1.4 Propiedades térmicas del grafeno        26

3.1.5 Propiedades químicas del grafeno        26

3.1.6 Aplicaciones del grafeno        27

3.2Métodos de obtención del grafeno        28

3.2.1 Grafeno obtenido a partir de grafito oxidado        29

3.2.2 Reducción química de grafeno oxidado        31

cronograma de actividades        33

Presupuesto        34

Conclusión        35

ANTECEDENTES

En el siguiente enunciado se presenta la información recaudada de los antecedentes de las tormentas eléctricas, abarcando los temas más importantes para el proyecto que se llevara a cabo, en este informe se muestran las maneras de obtener un rayo con ayuda de un dispositivo parecido al pararrayos.

ANTECEDENTES INTERNACIONALES

En los siguientes temas de investigación de hablar de cómo se forma las tormentas eléctricas y como capturas su energía para utilizarla dicha energía para el veneficio del ser humano  

• “Hipótesis de investigación sobre variación espacial temporal en los parámetros del rayo “El presente artículo fue realizado en la Universidad Nacional de Colombia tiene como objetivo principal presentar resumidamente una hipótesis de investigación y sus aplicaciones en ingeniería, acerca de la variación espacial y temporal en la magnitud de los parámetros de la descarga eléctrica atmosférica o Rayo. La Hipótesis ha estado implícita en todos los trabajos del Programa de investigación P.A.A.S., y se fundamenta en los principios científicos planteados por Wilson en 1920 y Whipple en 1929, sobre el Circuito Eléctrico Global y la contribución dominante, por una superposición de efectos, de las tres mayores zonas de Convección Profunda Tropical del planeta: Sur América Tropical, Centro de África y el Continente Marítimo (Sur Este de Asia y Australia) Si bien las zonas de Convección Profunda Tropical fueron identificadas al principio del presente siglo como de alta actividad eléctrica atmosférica, hasta el 0 eléctricas, diseño de apantallamientos en líneas de transmisión, para cualquier parte del mundo. La descarga eléctrica atmosférica y sus parámetros asociados, son un fenómeno meteorológico que, como tal, se manifiesta de una manera aleatoria. (Avila, 2000)
• “Diseñado para recibir relámpagos y convertirlos en energía “Se diseñó una espectacular torre espiral está en ciernes de ser construida, después de ganar una mención en la competencia de Evolo Skyscraper. La Torre Hydra canaliza la energía del hidrógeno aprovechando los rayos eléctricos. El hidrógeno es una de las más excitantes formas de energía alternativa ya que quema limpiamente y emite sólo vapor de agua y calor, sin embargo, esta tecnología está limitada por hecho de que toma mucha energía producir combustible a partir del hidrógeno. Aquí es donde entra la Torre Hydra, resolviendo este conflicto, al utilizar los relámpagos para presionar a las moléculas de agua para que se conviertan en hidrógeno y oxígeno. El sinuoso exoesqueleto de la torre está hecho de grafeno, un supernatural de carbón 200 veces más fuerte que el acero y altamente conductivo de calor y electricidad: perfecto para canalizar enormes cantidades de energía del cielo. Su aplicación más conocida es como tecnología en la fabricación de pilas de hidrógeno en la industria automovilística. Pero también existen otros sectores que están buscando fórmulas con el hidrógeno como elemento principal para explotarlo energéticamente. El proyecto también incluye un centro de investigación, la vivienda, y zonas de recreo para los científicos y sus familias ( Vlastic, Vuk, & Lazovic, 2011).

• “Selección óptima de pararrayos”, es el título de la tesis, realizada en la Universidad de Zaragoza habla sobre la descarga de rayos en líneas eléctricas es una de las principales y más imprevisibles causas de interrupción temporal de suministro. Si la magnitud de la sobretensión es suficientemente elevada o el equipo no está correctamente protegido puede producirse pérdida de aislamiento de la a paramenta, siendo especialmente críticos los equipos de las subestaciones, como transformadores o instalaciones blindadas. Su reposición en estos casos puede ser compleja, con largos periodos para su reparación y sustitución, y de elevado coste económico. El trabajo presentado trata sobre las sobretensiones, especialmente las de origen atmosférico, su influencia en las redes eléctricas, y la forma de limitarlas protegiendo a los equipos en ella instalados mediante pararrayos (Montañes, 2010).

• “La interdisciplinariedad en la ciencia del rayo “Esta investigación se trata sobre el fenómeno del rayo ha sido elaborado para la posesión como Miembro de Número de la Academia Colombina de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. El fenómeno natural ha sido investigado sistemáticamente en Colombia desde hace aproximadamente cuatro décadas motivado por la curiosidad científica para comprender la alta mortalidad de sistemas, equipos y de personas. Con base en el desarrollo de una hipótesis de investigación se fueron confrontando sus resultados con la realidad concreta, mediante el método científico inductivo y la categoría conceptual de un trabajo interdisciplinario con vínculos dialecticos y la intersección e integración de saberes como la física, las matemáticas, la química, la biología, la historia, la literatura y la psicología social. Con los resultados de investigación se ha logrado aportar nuevo conocimiento del fenómeno en el concierto mundial con libros, artículos científicos, patentes, innovaciones tecnológicas para aplicaciones en protección contra rayos, normas y reglamentos técnicos y apropiación social de la ciencia. Este articulo presenta los logros científicos y tecnológicos realizados en Colombia en el campo de las descargas eléctricas atmosféricas, y propone, basado en las condiciones específicas intertropicales, los focos de investigación de interés para el país en el futuro (Torres, 2017).
• Nuevo método para la simulación del modelo electrogeometro utilizando AutoCAD como herramienta de dibujo En Inst. Superior de Ingeniería de realizaron un método para la simulación los investigadores y C.V. Soares su objetivo de este trabajo fue el desarrollo del programa de computador SPDA 2002, para simular el modelo electro geométrico. El programa también permite el análisis del riesgo a que un edificio o conjunto de edificios están sujetos, según las normas BS 6651 y IEC 61662. Se utiliza el AutoCAD®, como herramienta de dibujo por ordenador, para modelar en 3D los edificios a proteger. El SPDA 2002 permite conocer la eficiencia necesaria del pararrayos y así simular el modelo electro geométrico con el nivel de protección más adecuado. De esta simulación resulta, automáticamente, un dibujo 3D con todos los puntos vulnerables señalados, además de otras indicaciones útiles para la protección contra los efectos indirectos de las descargas atmosféricas. El uso del SPDA 2002, permite una importante reducción del tiempo necesario, en la concepción de un sistema de protección contra los efectos de las descargas atmosféricas ( Rodrigues & Soares, 2004).
• “Propiedades catalíticas de grafeno dopado con metales de transición” En esta investigación fue realizada se realiza un estudio basado en la Teoría del Funcional de la Densidad de láminas de grafeno dopadas con Fe, Co y Ni. Se adopta el funcional PBE1PBE y los pseudopotenciales LANL2DZ para los átomos metálicos y las bases 6-31G++(d) para los átomos de carbono. Se analizan tres sistemas formados por la sustitución de un átomo carbono por uno de Fe, Co y Ni, respectivamente. Se estudiaron las propiedades energéticas, electrónicas y la reactividad química, haciendo una comparación sistemática con una lámina de grafeno puro. Para simular la presencia del solvente en los sistemas de estudio se empleó el modelo SCRF=PCM (Self-Consistent Reaction Field=Polarizable Continuum Model). Asimismo, se determinaron las propiedades catalíticas de los sistemas frente a la adsorción de O2. Los resultados indican que la presencia del heteroátomos metálicos y agua como solvente modifica la reactividad química y la adsorción de dioxígeno, lo que podría ser determinante en las propiedades catalíticas del grafeno dopado. La lámina de grafeno dopado con níquel resulta la más reactiva y la que presenta energía más favorable frente a la adsorción de oxígeno. (Aramburu, López, & Fasoli, 2018)
• “Metodología de Evaluación de los Pararrayos de Carburo de Silicio” Universidad de São Paulo, Inst. de Electrotécnica e Energía, Esta investigación presenta los resultados de una investigación cuyo objetivo fue el diagnóstico de los pararrayos de carburo de silicio. En el laboratorio fueron realizados ensayos en pararrayos, siendo determinados los valores de tensión disruptiva en frecuencia industrial y de impulso atmosférico. Esos resultados fueron comparados con valores de la corriente de fuga, radio interferencia y termovisión, obtenidos en mediciones en los mismos pararrayos. Se observó que valores más elevados de la corriente de fuga, en términos de amplitud y componente de tercer armónico, estaban asociados con una mayor degradación en esos pararrayos. Con base en esos resultados, se concluyó que la medición de la corriente de fuga puede proveer informaciones importantes sobre el estado de esos pararrayos. Mediciones del comportamiento de la corriente de fuga a lo largo de los años en las sus estaciones pueden ayudar a identificar los pararrayos más degradados. Los pararrayos de ZnO y SiC poseen elementos no lineales sometidos a la tensión sinusoidal y entonces la corriente de fuga total presenta distorsión. A través de la descomposición de la señal, la corriente de fuga total puede ser expresada como la suma de varias sinusoidales de frecuencias con múltiples enteros de la frecuencia fundamental de la forma de onda original. En Brasil, la frecuencia de la rede es 60 Hz ( Kanashiro & Milton, 2010).

• “Comportamiento de descargadores de sobre tensión ante tensiones inductivas para rayos sobre líneas de distribución ubicada en zona montañosas “Este artículo fue realizado en la Universidad Industrial de Santander cómo la ubicación de descargadores de sobretensión, en líneas de distribución sobre zonas montañosas, afecta las tensiones inducidas que se presentan en estas líneas a causa de rayos. El efecto de los impactos indirectos de rayos sobre líneas de distribución ha sido estudiado ampliamente en diferentes trabajos previamente, ya que son la principal causa de fallas en este tipo de líneas Se consideraron cuatro configuraciones de terreno no plano, que son representativas de la topografía colombiana. La inclusión del terreno, el canal de la descarga, la línea de distribución y el cálculo de las tensiones inducidas, se realizó por medio del método de diferencias finitas en el dominio del tiempo en coordenadas cartesianas en tres dimensiones. Se encontró que las tensiones inducidas en terrenos no planos están entre 2 a 5 veces las que se obtienen para líneas sobre terrenos planos. En el caso de los terrenos simulados, las tensiones inducidas superaron los umbrales de operación normales de los descargadores de sobretensión, lo que supone que aquellos ubicados en líneas de distribución en zonas de montaña tienen esfuerzos adicionales a los que se presentan en terreno plano. Sin embargo, hay una configuración, donde no se superan dichos umbrales (Soto, Martínez, & Verdugo, 2019).

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Durante la mayor parte de la historia humana, a la gente le han asustado los rayos. Como aterradoras descargas procedentes del cielo, los rayos eran una herramienta de los dioses para castigar a los mortales por su arrogancia (o su desafortunada tendencia a refugiarse de las tormentas bajo los árboles). Para la humanidad, este fenómeno natural se conocía al menos desde el antiguo Egipto a través de las descargas de ciertos peces, y en 1600 el médico inglés William Gilbert acuñó el término en latín eléctricos que significa “como el ámbar” en referencia a la propiedad de este material de atraer objetos cuando se frotaba. Sin embargo, los científicos dieron a conocer el descubrimiento de los rayos y su gran impacto que puede causar ante los seres humanos. Fue entonces cuando se descubrió el uso del pararrayos de Benjamín Franklin domesticó, a esta arma divina antes formidable. Aún no se puede almacenar la energía eléctrica que produce un rayo, es un reto al que deberían apostarle los ingenieros en la materia, enfatizó el gerente de Internacional de Pararrayos, Héctor Salas Gómez; no obstante, puntualizó que existen nuevas tecnologías para los implementos que frenan su impacto en la tierra, como el caso de aquellos pararrayos que cuentan con un electrodo que sirve para polarizar la energía de la tierra, los cuales logran repeler hasta un 95 por ciento los rayos, mientras que el resto se descargan como calor. Un solo rayo lleva una cantidad relativamente grande de energía: aproximadamente 5 mil millones de julios, o aproximadamente la energía almacenada en 145 litros de gasolina, que es 4,739,085.6 BTU o 1.388 MW de energía. Por supuesto, no todos los rayos son iguales; algunos son débiles y otros mucho, mucho más fuertes, pero podemos tomar ese número promedio para continuar nuestra aproximación.

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