Articulo para presentar en el II Encuentro Manejo de Recursos Naturales, a realizarse en UNED,

Costa Rica, de 26 al 27 del Julio del 2013.

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Energía Solar - un remedio necesario para combatir cambio climático.

Shyam S. Nandwani (*) Profesor Retirado, Costa Rica. P.O.Box 728- 3000, Heredia, Costa Rica. E mail: snandwan@una.ac.cr, shynandwani@gmail.com www.doctornandwanisolarcook.org (*) Miembro: International Solar Energy Society (ISES), Alemania; World Renewable Enegy Network,

Inglaterra, Solar Cookers International, Sacramento, EUA; Energy Globe Foundation (Austria),

Ambassador for Costa Rica. Colegio de Físico, Costa Rica, the Abdus Salam International Centre for

Theoretical Physics (ICTP), Italia.

1.INTRODUCCION:

El cambio climático, desarrollo sostenible y la protección del medio ambiente se han convertido

en temas clave durante los últimos años. En principio mayor desarrollo con lleva mayor

producción/consumo del productos sea por necesidad básica o satisfacer nuestros deseos. Esto

lleva más recursos naturales y más energía. Debido a que gran porcentaje de esta energía, a nivel

mundial y también en Costa Rica, proviene por fuentes fósiles, los cuales emiten más

contaminantes (principalmente Dióxido del Carbono) en el aire. Este gas es principal responsable

para calentamiento global.

Actualmente el mundo está realizando esfuerzos para minimizar/ compensar estas emisiones del

gases causantes del efectos del invernadero. Costa Rica emite cerca de las 2 toneladas del CO2

por persona por año, la cual va aumentar en próximos anos. Hace 5 anos, Dr. Oscar Arias, ex

Presidente de Costa Rica ha propuesto que el país será Carbono Neutro en 2021 (200

aniversarios de ser independiente). Para cumplir con esta meta hacen falta muchas tareas, a

realizar por parte del públicos, empresarios, ONGs, investigadores y políticos etc. Las diferentes

opciones son reforestación, mejor transporte público, conservación de energía/

materiales/recursos naturales y ahorro de fuentes convencionales de energía usando otras fuentes

renovables y limpias, como energía solar, hidro, eólica, geotermia y marina etc. Energía del sol

tiene una ventaja extra con respeto a otras dos fuentes. Se pueden construir dispositivos solares de

cualquier tamaño, pequeño que sea (hasta 0.5 Vatios ), y por ser tipo modular también se pueden ampliar

(hasta MW). Esto daría la posibilidad de llevar energía a las casas remotas, áreas protegidas, donde no

pueden instalarse proyectos convencionales y por ende podría electrificar el 100% del país.

Además la energía del sol es un excelente candidato porque:

- emite energía 24 horas al día, 365 días al año a nuestra planeta. Todos lugares reciben esta

energía según la ubicación (latitud),

- es abundante y gratuita,

- no es contaminante, como el petróleo y el carbón,

- no tiene desechos radioactivos, como la nuclear, etc.

- nadie puede aumentar su precio,

- no necesita algún tipos de cables o tanques, para su transportación.

- no se puede secuestrar este gran fuente etc.

2. POTENCIAL DEL SOL:

La potencia solar que recibe el planeta Tierra (fuera de la atmósfera) es cerca de 173X1012 kW o una

energía de 15x1017 kWh por año. Al atravesar la atmósfera, cerca de 53% de esta radiación es

reflejada y absorbida por el nitrógeno, oxígeno, ozono, dióxido de carbono, vapor de agua, polvo y

las nubes. Por lo tanto al pasar estas radiación por una distancia de 150 millones de km, se reduce

esta cantidad y el final planeta recibe energía promedio a 3 x1017 kWh al año, equivalente a 4000

veces el consumo del mundo entero en un año (7X1013 kWh/año), lo cual nos indica la enorme

potencia del Sol.

Antes de aprovechar la energía solar en una localidad es muy importante conocer la cantidad de

radiación solar en aquel lugar.

En Costa Rica existen cerca de 80-100 estaciones meteorológicas distribuidas en todo su territorio,

las cuales cuentan con equipos para medir la cantidad de radiación y brillo solar. Foto 1a muestra

algunos de los instrumentos usados para la medición de diferentes tipos de radiación solar- global,

directa y difusa etc. Aunque los datos para diferentes estaciones se pueden conseguir con el Instituto

Meteorológico Nacional, sin embargo la Figura 1b muestra, la radiación global anual medida en

varios lugares de Costa Rica. El valor oscila entre 1320 (San José) y 1970 (Taboga) KWh/m²-año y

son muy importantes como base para cualquier simulación de sistemas solares.

Fig. 1 a. Instrumentos para medir diferentes topos de Radiación solar- Global, Directa

y Ultra Violeta.

Fig. 1b: La Radiación Solar (Promedio) medida en algunos lugares de Costa Rica

(unidad, kWh/m2- año).

Para apreciar estos datos si tomamos que el promedio de Radiación Solar para Costa Rica es de 1500

kWh/m2-año. Ahora suponiendo rendimiento para convertir energía solar en energía calórica, es de

50%, por lo tanto una superficie captadora con una área de 40 Km2, el total de energía calórica

aprovechable será de 3000 X 106 kWh/año. Esto es equivalente de 16.8 X 106 barriles de petróleo,

cantidad que importa Costa Rica anualmente, pero con un costo aproximado de US$2000 millones.

Además, la radiación solar tiene una variación mensual. En el caso de Costa Rica esta variación

mensual es el orden de 25-30% (máximo) con respecto al valor promedio, lo cual indica que no hace

falta mucho grado de almacenamiento de energía del Sol. Es muy ventajoso tomando en cuenta el

alto costo del almacenamiento de energía calorica o eléctrica.

Aparte de aprovecharla, de manera natural (vientos, evaporación de los mares para energía

hidroeléctrica, fotosíntesis para la producción de biomasas, gradiente térmico de los mares, etc.), la

energía solar se puede convertir en energía calórica y energía eléctrica, y por lo tanto puede usar para

todos los usos donde se puede funcionar cualquier otra fuente convencional de energía. Sin embargo

para mostrar el concepto explicaremos la utilización para siguientes usos donde el autor ha tenido

alguna experiencia práctica (Foto 2),

*Calentar agua para uso domestico/ comercio e industrias,

*Cocinar/ hornear los alimentos y pasteurizar agua, (Horno/ Cocina Solar),

*Secar todos tipos de productos, agrícolas, marinas etc., hasta excrementos de animales,

(Deshidratador / Secador Solar), y

*Producir electricidad directamente (Efecto Fotovoltaico) para alumbrar, TV, Radio, bombear agua,

Ventilación, nevera y cargar baterías, etc.

Fig. 2. Usos de Energía solar en la casa del autor (Calentador, horno, secador, alumbrado,

cargar batería).

3. CAPTACION DE ENERGIA SOLAR:

Para cualquiera de las aplicaciones de la energía solar la parte principal del sistema es el

COLECTOR/CAPTADOR - el artefacto que capta energía solar y convierte en energía útil- sea en

forma calórica o eléctrica.

Para la conversión de energía solar en energía eléctrica se utilizan las CELDAS SOLARES

proveniente de los materiales semiconductores -tipo silicio principalmente. Se usan en relojes,

calculadores y hasta en naves espaciales etc. Debido al requerimiento de inversión inicial y

complejidad de fabricación, muy pocos países del mundo están fabricando las celdas solares. En este

artículo solo se informa un breve concepto para uso de paneles solares (conjunto de celdas solares)

para una sistema.

Por otro lado la energía solar puede ser transferida en calor empleando captadores sencillos- Colector

Plano, los cuales pueden fabricar fácilmente y con los materiales disponibles en el mercado local.

Colectores planos, pueden dar temperaturas entre 50-200 °C, con una eficiencia promedio entre 40 al

60%.

La Figura 3 muestra uno de los más comunes diseños de colectores solares planos. Es esencialmente

una placa metálica (que puede ser de acero, hierro galvanizado, aluminio o preferiblemente de cobre)

pintada de color negro mate, con el fin de absorber al máximo la radiación directa (proveniente de

disco solar) y también la difusa (proveniente de cielo). La radiación solar después de ser absorbida es

transformada en energía térmica. Sin embargo, como el ambiente se encuentra a una temperatura

inferior a la de la placa, ésta placa comienza a perder la radiación, aunque sólo en la región del

infrarrojo. Para reducir las pérdidas de energía en la parte posterior y laterales, la placa está

encerrada en una caja (de madera o metálica etc.) bien aislada al fondo y lateralmente (usando lana

de vidrio, estereofón, poliuretano o cáscara de arroz, aserrín etc.). Para reducir las pérdidas de

energía por la parte superior, la fachada del colector está cubierta con una o más láminas de vidrio o

de plástico transparente, permitiendo que penetre la luz solar pero evitando el escape de la radiación

infrarroja emitida de la placa caliente. Por lo tanto aire dentro de la caja alcanza alta temperatura.

Después el calor neto absorbido por la placa es transferido a varios tubos de metal, verticales

separados por una distancia de 10-15 cm entre ellas, y unidos estrechamente a la placa, por los que el

fluido se hace circular. Dichos tubos se colocan longitudinalmente de manera que el fluido (aire o

agua) frío entre por la parte baja y salga, una vez caliente, por la alta, debido a su menor densidad.

Fig. 3. Un Colector Solar del tipo plano.

4. APLICACIONES: Aunque detalles del varios dispositivos se pueden ver en nuestra pagina web

(www.doctornandwanisolarcook.org), sin embargo vamos informar en breve.

4 A. CALENTADOR SOLAR DE AGUA:

Agua caliente se necesita para varios fines, como aseo personal, en lecherías, ganadería, restaurantes,

hospitales, hoteles, lavanderías, embotelladoras y centros de recreación etc.

La Foto 4 muestra una calentador solar. El colector plano (mencionado anteriormente), se coloca

mirando hacia al sur con una inclinación de 15-20° respecto a la horizontal. Los tubos del colector por los

que circula el agua, se colocan longitudinalmente de manera que el agua fría (la cual proviene de un

tanque, ubicada encima de los colectores) entra por la parte baja y una vez que se calienta por la radiación

solar, sale por la parte superior del colector debido a su menor densidad. Dicho proceso (de entrada y

salida de agua) continúa hasta que haya una cantidad mínima de la radiación solar. De esta manera, el

agua caliente se acumula en el tanque, la cual puede ser utilizada cuando y donde exista la necesidad.

Temperatura alcanzada por una sistema solar depende de la cantidad de agua que necesite calentar, área

del sistema y el clima del lugar; sin embargo nuestros estudios nos permiten afirmar que con l m² de un

colector plano, en el clima de varios lugares de Costa Rica, se puede calentar un promedio de 60-75 litros

de agua, diariamente, aumentando su temperatura de 20° (en la mañana) hasta 50-60 °C a las 5 pm.

Foto 4. Un colector y un Calentador Solar de agua.

4B. HORNO-COCINA SOLAR:

De la energía eléctrica que consume una casa, un gran porcentaje (del 20 al 40 por ciento) se emplea

para cocinar alimentos. También cerca de 10-20 % de la población a nivel nacional todavía usa leña

para cocinar los alimentos (algunos combinados con electricidad y/o gas LPG) el cual es

parcialmente responsable para deforestación y emitir más dióxido de carbono.

Ahora explicaré en breve el procedimiento para la construcción de un horno solar, diseñado y

estudiado, por el autor por primera vez en Costa Rica, a principios de 1979, con materiales y

tecnología nacional. Fue patentado a nombre de la Universidad Nacional en 1984, la cual en su

versión mejorada sigue funcionando satisfactoriamente en la casa del autor.

Consiste en una caja de madera/metal (Fig. 5a) con doble vidrio plano en la parte superior, separadas

por una distancia de 2 cm. Dentro de la caja hay una lamina metálica de hierro galvanizado (calibre

20- 24) pintada por la parte superior, de negro mate. La radiación solar después de ser absorbida por

la lámina negra, es transformada en energía térmica, sin embargo, como el ambiente se encuentra a

una temperatura inferior a la placa, ésta comienza a perder la radiación, aunque sólo en la región del

infrarrojo (calor).

Foto 5a. Horno Solar Convencional

Para reducir las pérdidas de energía en la parte posterior y lateral de la lamina, hemos usado un

aislante de calor; lana de vidrio, en la parte del fondo y a los lados con espesor de 4- 5.0 cm.

Para aumentar la radiación sobre la placa usamos un reflector de papel aluminio (preferiblemente

metálico), pegado fuera de la caja.

Dicho reflector puede variar su ángulo con respeto a la horizontal usando una varilla con varios

huecos. Además el horno puede orientarse hacia el Sol (este-oeste) usando rodines al fondo de la

caja exterior.

Aunque los resultados detallados se pueden observar en otros artículos, sin embargo en un día

soleado la temperatura de la placa metálica puede alcanzar hasta 140- 160 ºC.

El autor y su esposa han cocinado durante los últimos 34 años, alimentos como: arroz, frijoles,

lentejas y legumbres (garbanzos, arveja amarillas, arveja verde, fríjol de soya, etc.), papas,

zanahorias, vainicas, coliflor, ñampí, yuca, remolacha, rábanos, ayote, huevos, pollo, carne de res,

cerdo, pescado, pan, queque, pizza etc.

El tiempo de cocción depende de la cantidad de radiación solar, temperatura del ambiente, velocidad

del viento, calidad y cantidad de los alimentos, y orientación del horno etc. Con dicho horno de área

0.25 m² se puede cocinar UNA comida para 4-5 personas en 2-3 horas y DOS comidas para la

familia con 4-5 horas de brillo solar. En el clima de Heredia, podemos cocinar casi 7 meses del año.

El objetivo es reducir fuentes convencionales de energía y NO ELIMINAR.

Foto 5b muestra otro modelo del Horno hibrido (solar eléctrico) también diseñado e estudiado por el

autor en 1986. Este modelo automático usa electricidad (además de la energía solar) si fuera necesario

durante periodo del nublado etc.

Foto 5b. Horno Híbrido y Multiusos.

.

ALGUNAS VENTAJAS/ LIMITACIONES DEL HORNO SOLAR:

i. Aparte de usarse para cocinar y hornear todo tipo de alimentos también se puede calentar agua para

pasteurizar, hacer café y secar frutas.

ii. No produce humo, ceniza, no contamina la atmósfera, por lo que contribuye a mantener la buena

salud.

iii. Cocinar con un horno solar necesita menos agua y grasa, se pierde menos vitaminas y por lo tanto

mantiene los minerales etc.

4C. SECADOR SOLAR:

El secado es el proceso comercial más utilizado para la preservación de la calidad de los productos

agrícolas/ forestal o marino. La finalidad del secado es la separación parcial del agua contenida en la

materia sólida. Cuando los productos se secan (deshidratan) hasta el 14-20%, mediante alguna

técnica adecuada, se disminuye sensiblemente su actividad respiratoria y se controlan los

microorganismos asociados, lo que permite el almacenamiento del producto (bien cerradas) en el

ambiente por un período de uno hasta dos años.

El secado de volúmenes comerciales de granos se lleva a cabo en Costa Rica por combustión de

diesel y de desechos biomasicos. El uso del diesel se está haciendo siempre más oneroso para la

agro industria del país, debido a continuas alzas en su precio, y el uso de la biomasa muchas veces

presenta problemas de abastecimiento por su escasez.

La Figura 6a a muestra un sistema de secadora de circulación natural, usado por el autor en su casa.

Consiste en una caja de madera/ metálica, cuyo fondo está aislado y tiene un cobertor de vidrio

inclinado, el cual está dispuesto sobre la caja para recibir la radiación solar. En la base de este

gabinete se colca una lámina metálica pintada de negro. Los materiales para secar se ponen en

bandejas perforadas, por una puerta que se encuentra atrás de la caja. Se hacen varios huecos en la

base, la parte superior y lateral. Los huecos en la parte del fondo y lateral son para la entrada de aire

ambiental y salida de aire húmedo, de modo que el aire húmedo y caliente pueda desprenderse por

huecos de la parte superior. Así hay un continuo flujo de aire sobre el producto a secar. Por la

absorción de la radiación solar el aire se calienta y quita la humedad de los productos. Cuando el

contenido de humedad del producto ha descendido a un valor predeterminado, se retira del secador.

Foto 6a. Secadora Solar Pasivo.

Dependiendo de la radiación solar, la temperatura del gabinete puede llegar a 50-70 °C. Casi todos

los productos pueden secarse con esta secadora; que resulta útil, sobre todo, al campesino/ nivel

casero, que producen a baja escala. Las Figuras 6b y 6c, muestran culantro antes y después del

secado.

Fig. 6b y 6c. Secador del culantro.

OTRAS APLICACIONES TERMICAS:

En forma semejante energía solar puede utilizar para otros fines como calentar piscina, destilación,

calefacción, acondicionamiento de edificios, refrigeración, invernaderos, bombeo de agua para tomar

o irrigación y hasta para producir electricidad por medio de efecto termoeléctrica (Energía Solar ---

energía calórica ---- energía mecánica ------ Energía Eléctrica).

5. CONVERSION DIRECTA DE LA ENERGIA SOLAR EN ELECTRICIDAD:

La radiación solar se puede transformar directamente en electricidad (efecto fotovoltaico) por medio

de aparatos, celdas solares o pilas solares, los cuales son semiconductores puros drogados con

cantidades diminutas (1ppm) de otros elementos. Varios conductores pueden emplearse, pero se

prefiere el de silicio por razón de abundancia, bajo costo (~US$5- 10/Watio), y principalmente por

estabilidad y rendimiento (~15-20%). Es decir la electricidad producida por una celda solar de 1m²,

la cual está expuesta a radiación solar de 1000 Watios/m2, será de 100 Watios. La Fig. 7a muestra

esquema de una celda solar.

Fig. 7 a. Principio de un celda solar para la conversión directa de energía solar en

electricidad.

Por la acción de la energía solar sobre la celda solar la corriente producida es almacenada en

baterías, para utilizar esta energía después de la hora del sol.

Varias celdas pueden conectarse eléctricamente en forma de serie y/o paralelo, para formar un

módulo (con mayor voltaje o mayor corriente), que es una unidad básica de los sistemas eléctricos

solares.

Sistema Completo:

Por la acción de la energía solar sobre la celda solar la corriente producida es almacenada en

baterías, para utilizar esta energía después de la hora del sol.

Una instalación, además requiere controlar del voltaje, mediante un regulador, y dirigir la

corriente hacia una batería, para almacenarla. Como la corriente eléctrica producida es directa, es

necesario, para algunas aplicaciones, un inversor para convertirla en corriente alterna.

La Figura 7b muestra un esquema completo para la utilización del panel solar. .

Fig. 7b. Esquema para utilizar celdas solares.

Desde 2011 el Autor en su casa está utilizando paneles fotovoltaicos para lámpara del

12VCD, computadora portátil y TV (110VCA), como mostrado en los Foto 7c y también

para cargar batería del carro (Fig. 7d).

Fig. 7c. Sistema Fotovoltaico para alumbrado/ TV/ computadora

.

Fig. 7d. Cargar batería del carro usando panel solar.

6. AHORRO ENERGETICO Y LA REDUCCIÓN EN LA EMISION DEL CO2.

Hemos informado anteriormente, dependiendo del lugar, Costa Rica recibe la energía solar equivalente

de 1300- 1700 kWh/m2 por año. Tomando 1500 kWh como un promedio, la energía total recibida en el

terreno de Costa Rica (50,000 km2) en un año será = 75,000 TWh (1012 Wh), mientras que la energía total

consumida es cerca de 103350 TJ, o 29 TWh. Esto significa que el potencial solar en Costa Rica es cerca

de de 2600 veces la energía consumida en un año. Ahora vemos datos de ahorro energético para

dispositivos mencionados:

A. Un Calentador solar familiar (2 m2), en el clima de Costa Rica puede ahorrar anualmente cerca de

2000 kWh de energía eléctrica.

B, Con nuestra experiencia práctica en el clima de Heredia una familia puede cocinar con el Horno Solar

durante siete meses del año y un horno solar de tamaño familiar (0.25 m2), puede ahorrar hasta 1100

kWh. de electricidad o 200 l del gas propano (LPG) o 700 kg/año de leña por familia. Sin embargo, cabe

señalar que, en otras provincias como Alajuela, Puntarenas o Guanacaste cuentan con mayores horas de

brillo solar y se puede cocinar por un período más extenso, así ahorrando más energía convencional.

Con el uso de Lena, tomando en cuenta polución directa y indirecta un horno solar puede dejar de emitir

cerca del 1.4- 1.6 ton del CO2 por año.

C. Para dar una idea, con una secadora de 1 m² y con una radiación solar de 3.5 kWh/m²-día, se puede

secar en tres días, 20-30 Kg de granos con humedad inicial de 40-50% hasta 10-15%.

Como ejemplo, un secador solar para deshidratar 1000 kg del un producto con humedad inicial al

humedad final a 15%, se puede ahorrar cerca del 416500 kCal o 480 kWh de energía convencional.

D. En el caso del fotovoltaico para generar electricidad, un panel del 100Wp, puede ahorrar cerca del 140

(asumiendo 4 hrs del sol/día) hasta 180 kWh anualmente (asumiendo 5 hrs del sol/día).

Reducción en la Emision del Dioxido de Carbono (CO2):

Emisión del CO2 / kWh de energía, depende del fuente (convencional) de energía que ha usado, como

leña, carbono, gasolina, gas etc. Uso promedio del 300 kWh de Electricidad, (por mes) generado por

petróleo emite cerca del 2700 kg del dióxido del carbón en el aire anualmente (0.75 kg de CO2 / kWh).

Este numero es mayor usando Carbón (aprox. 0.92) y es menor usando Gas Natural (aprox. 0.58). Por lo

tanto usando fuentes limpio de energía como sol, puede reducir esta emisión del CO2 y por ende ayudar

en reducción del calentamiento de la Tierra y favorecer la meta del Costa Rica para lograr Carbono

Neutro.

8. LOS RESULTADOS/ CONCLUSIONES:

Las varias ventajas (directas e indirectas) como económico, social, la salud y el ambiente con el uso de

fuentes renovables y conservación de la energía y materiales son muy conocidos.

Las compañías estatales o privadas involucradas en este negocie pueden pensar cualquier de este tipo del

sistemas solares para generar electricidad y conectar a la red eléctrica existente o red eléctrica comunal.

y/o cargar baterías para transporte eléctrico. También el país debe elaborar las políticas, tecnologías e

infraestructura institucionales, formas de incentivos, pertinentes lo antes posible.

Todas las soluciones anteriores requieren no solo voluntad política por parte del Gobierno, empresas

privadas, ONG/ ambientalistas, investigadores, sino también de la conciencia de cada uno de los

ciudadanos.

Con esta forma, además de ahorrar fuentes de energía, reducirá emisión del Dióxido de Carbono y por

ende reducir calentamiento global. En otra palabra, estamos usando Calor del Sol para Enfriar nuestra

Tierra.

SI QUIERE LEER MAS:

1. Varios folletos escritos por el autor, www.doctornandwanisolarcook.org

2. Libro Cocina- Horno solar, Shyam S. Nandwani, Fundación UNA, Costa Rica, 1993, 2003, pp. 1-126.

3. Solar Cookers and Dryers to conserve Human and Planet Health, Shyam S. Nandwani,

Articulo invitado y publicado en Encyclopedia of Sustainability Science and

Technology, Robert A. Meyers (Ed.) Springer Verlag, pp. 9486-9509, 2012, USA.

4. La meta de C- Neutralidad es Alcanzable- Rene Castro, LA NACION 18/7/2013, p. 31,

5. Para ver varios productos en favor del medio ambiente:

www.paginasverdescr.com

.

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