1.1: ¿Qué es la Conversión Directa de Energía?

Los dispositivos de conversión de energía convierten entre energía eléctrica, magnética, cinética, potencial, óptica, química, nuclear y otras formas de energía. Los procesos de conversión de energía ocurren naturalmente. Por ejemplo, la energía se convierte de la radiación electromagnética óptica en calor cuando la luz solar calienta una casa, y la energía se convierte de energía potencial a energía cinética cuando una hoja cae de un árbol. Alternativamente, los dispositivos de conversión de energía son diseñados y fabricados por una amplia gama de científicos e ingenieros. Estos dispositivos de conversión de energía van desde pequeños componentes de circuito integrado como termopares que se utilizan para detectar la temperatura al convertir microvatios de energía de energía térmica a electricidad a enormes plantas de energía de carbón que convierten gigavatios de energía almacenada en los enlaces químicos del carbón en electricidad.

Un dispositivo de conversión de energía directa convierte una forma de energía en otra a través de un solo proceso. Por ejemplo, una célula solar es un dispositivo de conversión de energía directa que convierte la radiación electromagnética óptica en electricidad. Si bien parte de la luz solar que cae sobre una célula solar puede calentarla en su lugar, ese efecto no es fundamental para el funcionamiento de la célula solar. Alternativamente, los dispositivos de conversión de energía indirecta implican una serie de procesos de conversión de energía directa. Por ejemplo, algunas plantas de energía solar implican convertir la radiación electromagnética óptica en electricidad calentando un fluido para que se evapore. La evaporación y expansión del gas hacen girar un rotor de una turbina. La energía del movimiento mecánico del rotor se convierte en un campo magnético variable en el tiempo que luego se convierte en una corriente eléctrica alterna en las bobinas del generador.

Este texto se centra en los dispositivos de conversión directa de energía que convierten entre la energía eléctrica y otra forma. Debido a la gran variedad de dispositivos que encajan en esta categoría, la conversión de energía es un tema importante para todo tipo de ingenieros eléctricos. Algunos ingenieros eléctricos se especializan en construir sistemas de instrumentación. Muchos sensores utilizados por estos ingenieros son dispositivos de conversión de energía directa, incluyendo galgas extensométricas utilizadas para medir la presión, sensores de efecto Hall que miden el campo magnético y sensores piezoeléctricos utilizados para detectar vibraciones mecánicas. La energía eléctrica producida en un sensor puede ser tan pequeña que se requiere amplificación. Otros ingenieros eléctricos se especializan en la producción y distribución de energía eléctrica. Las baterías y las células solares son dispositivos de conversión de energía directa utilizados para almacenar y generar electricidad. Son particularmente útiles en ubicaciones remotas o en gadgets de mano donde no hay una manera fácil de conectarse a la red eléctrica. De manera relacionada, los dispositivos de conversión directa de energía, como los dispositivos termoeléctricos y las celdas de combustible, se utilizan para alimentar satélites, rovers y otros sistemas aeroespaciales. Muchos ingenieros eléctricos trabajan en la industria automotriz. Los dispositivos de conversión directa de energía que se encuentran en los automóviles incluyen baterías, cámaras ópticas, sensores de efecto Hall en el tacómetro utilizado para medir la velocidad de rotación y sensores de presión.

La conversión directa de energía es un tema fascinante porque no encaja perfectamente en una sola disciplina. La conversión energética es fundamental para los campos de la ingeniería eléctrica, pero también es fundamental para la ingeniería mecánica, física, química y otras ramas de la ciencia y la ingeniería. Por ejemplo, los resortes son dispositivos de almacenamiento de energía a menudo estudiados por ingenieros mecánicos, los condensadores son dispositivos de almacenamiento de energía a menudo estudiados por ingenieros eléctricos, y las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía a menudo estudiados por químicos. Relacionadamente, los dispositivos de almacenamiento de energía y conversión de energía, como resortes, capacitores y baterías, no son esotéricos. Son comunes, baratos y ampliamente disponibles. Si bien se encuentran en objetos cotidianos, también son sujetos activos de investigación contemporánea. Por ejemplo, las computadoras portátiles están limitadas por la vida útil de las baterías, y la recepción del teléfono celular suele estar limitada por la calidad de una antena. Las baterías, antenas y otros dispositivos de conversión directa de energía son estudiados tanto por empresas de consumo que intentan construir mejores productos como por investigadores académicos que intentan comprender la física fundamental.