ENERGIA

ENERGIA SO

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SOLA

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¿QUÉ ES LA ENERGÍA SOLAR?

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

CENTRALES EÓLICO-SOLARES

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA

ENLACES

¿QUÉ ES LA ENERGÍA SOLAR?

La energía solar es la energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión que llegan a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres.

La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es de unas 2 cal/min/cm2.

Constante solar = 2 cal/min/cm2

En concreto la radiación solar interceptada por la tierra en su desplazamiento alrededor del sol, constituye la principal fuente de energía renovable a nuestro alcance. Nuestro planeta recibe del Sol la asombrosa cantidad de energía anual de 5,4 x 1024 J, una cifra que representa 4.500 veces el consumo mundial de energía.

Aunque es muy abundante el aprovechamiento de la radiación solar está condicionado por tres aspectos:

- la intensidad de radiación solar recibida por la tierra

- los ciclos diarios y anuales a los que está sometida

- las condiciones climatológicas de cada emplazamiento.

Aunque fuera de la atmósfera, la intensidad de radiación oscila entre 1.300 y 1.400 W/m2, las pérdidas en la atmósfera por absorción, reflexión y dispersión la reducen un 30%.

Si las condiciones climatológicas son buenas podemos llegar a tener 1000 W/m2, aunque si las condiciones son pésimas podemos tener sólo 50 W/m2, por eso estamos obligados a utilizar superficies de captación grandes.

En la superficie terrestre recibimos entre 50 W/m2 y 1000 W/m2

La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud.

Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.

El hombre en las últimas décadas (y de alguna otra forma en el último siglo) lo que ha estado buscando es transformar la energía más valiosa de las que existen en la tierra, la energía más extendida y omnipresente; en la energía que podemos transformar en todos los otros tipos que conocemos; se trata de transformar la energía solar en energía eléctrica, y de ahí en energía rotativa, cinética, electromagnética, calorífica, luminosa...

La transformación de la energía luminosa en energía eléctrica se efectua mediante las llamadas células fotoeléctricas.

Esta energía electrica producida puede ser utilizada de diferentes formas.

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

El elemento principal de un sistema de energía fotovoltaica es la célula fotoeléctrica, un dispositivo construido de silicio (extraído de la arena común).

Los paneles solares están constituidos por cientos de estas células, que conexionados adecuadamente suministran voltajes suficientes para, por ejemplo, la recarga de unas baterías. Tienen utilidad en múltiples campos, desde el ámbito doméstico, hasta los satélites artificiales.

¿Cómo funcionan las células fotoeléctricas?

¿Qué tipos de células fotoeléctricas hay?

CELULAS FOTOELÉCTRICAS

Cuando la energía luminosa incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Si medimos el voltaje existente entre los dos extremos del material (positivo y negativo) observaremos que existe una diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 voltios.

Si le aplicamos una carga eléctrica, veremos que es posible obtener una corriente de 28 miliamperios por cada centímetro cuadrado iluminado. Hemos convertido el dispositivo en una especie de batería eléctrica, que permanecerá aportando energía indefinidamente en tanto reciba iluminación.

¿CÓMO FUNCIONA UNA CÉLULA FOTOELÉCTRICA?

Pero esta pequeña cantidad de energía es insuficiente e inútil, si no somos capaces de obtener mayores voltajes y corrientes que permitan aplicaciones prácticas. Para ello se diseñan en cada oblea cientos de diodos del tipo descrito, los cuales, interconectados en serie y paralelo son capaces de suministrar tensiones de varios voltios, así como corrientes del orden de amperios.

Hay diferentes tipos de células solares en cuanto proceso de fabricación, rendimiento y precio se refiere:

- Células monocristalinas- Células policristalinas- Células amorfas

TIPOS DE CÉLULAS FOTOELÉCTRICAS

Son células formadas por un sólo tipo de cristal, son bastante caras y difíciles de conseguir.

Consiguen unos rendimientos muy buenos, los más grandes, superiores al 30%.

CÉLULAS MONOCRISTALINAS

CÉLULAS POLICRISTALINAS

Se construyen básicamente con silicio, mezclado con arsénico y galio, son un agregado de materiales, casi como un bizcocho: reúnes los ingredientes, los mezclas, los pones en un molde y luego en el horno a una temperatura determinada.

Son más sencillas de conseguir y consiguen unos rendimientos nada despreciables (15%).

No duran tanto tiempo pero son perfectas para lugares en los que por las condiciones ambientales, aunque las células sean muy duraderas, se rompan facilmente, como la alta montaña, los desiertos etc.

Las más baratas, menos duraderas y con rendimientos muy bajos de alrededor de un 6% que tienden a cero con el envejecimiento.

Son las utilizadas en calculadoras y aparatos por el estilo ya que la energía que proporcionan es muy baja.

Se construyen a base de evaporar encima de un cristal en una cámara de efluvios el material semiconductor o foto-reactivo y colocar un par de electrodos en cada una de las unidades correspondientes.

CÉLULAS AMORFAS

FORMAS DE UTILIZAR LA ENERGIA FOTOVOLTAICA

La energia fotovoltaica la podemos utilizar de dos formas.

- De forma autónoma, de manera que la energía producida es consumida en la propia explotación.

- Conectada a la red, la explotación está conectada a la red general de forma que unas veces consumimos y otras suministramos energía de la red, dependiendo de la producción y la demanda instantaneas.

Modulos fotovoltaicos, son los que generan electricidad

Regulador, distribuye la energía al acumulador o a los aparatos de consumo

Acumulador, almacena la energía para ser usada en momentos en los que no haya producción

Inversor, transforma la c.c. producida en c.a. Utilizada por la mayoria de los electrodomesticos

INSTALACIÓN

AUTÓNOMA

INSTALACIÓN CONECTADA

A LA RED

Adicionalmente a los equipos de la instalación autónoma, dispone de un sistema de conexión a la red que determina cuando consumimos energía de la red eléctrica y cuando suministramos energía a dicha red.

Por el contrario eliminamos el acumulador, ya que en los momentos de exceso de producción cedemos la energía a la red general.

Dado que hay ocasiones en las que consumimos de la red todos los aparatos deben estar diseñados para corriente alterna por lo que toda la producida pasa por el inversor.

Este sistema, también llamado columna ciclónica artificial, utiliza realmente la energía del Sol para transformarla en viento, por lo que podría definirse como un sistema de energía solar.

El dispositivo consta de una columna hueca de entre 100 y 200 metros de altura, denominada columna Venturi (similar a una chimenea), alrededor de la cual se extiende una cubierta de plástico transparente cubriendo una basta superficie de terreno. Dentro de la columna, en su parte superior, se instala un rotor cuyas palas serán movidas por las corrientes de aire caliente que ascenderán por la columna

CENTRALES EÓLICO SOLARES

Ver esquema

Para que el sistema funcione se precisa que primero se forme el efecto invernadero bajo la cubierta de plástico, por efecto del caldeamiento que produce el Sol. Como el plástico es opaco a los rayos infrarrojos de las moléculas del aire caliente, éste no puede escapar al exterior a través de el, generándose una considerable temperatura en su interior. Puesto que la única salida del aire es a través de la columna, y que éste tiende a ascender cuando está caliente, se produce un efecto ciclón al moverse grandes cantidades de aire a gran velocidad a través del estrecho tubo que forma la columna, haciendo girar el generador que se encuentra en su parte superior.

FUNCIONAMIENTO

Este sistema es realmente simple, proporcionando gran fiabilidad, pues solamente utiliza una pieza móvil, la del generador eléctrico de la columna.

No precisa además ningún tipo de orientación hacia el sol, pues la iluminación se realiza sobre el plano horizontal del terreno.

Para su efectividad se precisan grandes superficies de terreno, que permitan a su vez grandes volúmenes de aire; además de dotarse de una torre de considerable altura.

Este dispositivo puede proporcionar potencias del orden de los 100 kilovatios, pero con bajo rendimiento, pues para potencia similar se puede disponer de otros dispositivos que precisan de superficies de terreno mucho menores.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA EÓLICO SOLAR

Aeroturbina

La Energía Solar Térmica consiste en convertir la radiación solar en calor y comunicarlo a un fluido, como aire o más comúnmente agua, mediante un procedimiento técnico simple y una serie de dispositivos, denominados Captadores Solares.

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

CLASIFICACIÓN DE LA ENERGIA SOLAR TÉRMICASegún la temperatura alcanzada, los sistemas de

energía solar térmica se pueden clasificar en:

- Sistemas de Baja Temperatura: Alcanzan, aproximadamente, los 70º C mediante colectores solares planos. Utilizados normalmente para aplicaciones domésticas, como agua caliente, calefacción, etc.

- Sistemas de Media Temperatura: Hasta los 300º C, mediante colectores de concentración, reciben la radiación debidamente concentrada en unos dispositivos para tal efecto. Sus aplicaciones se centran en procesos industriales y para la producción de electricidad.

- Sistemas de alta temperatura: Se utilizan dispositivos que consiguen la concentración en un punto de la radiación,alcanzando temperaturas superiores a los 350º C. La aplicación principal es la obtención de vapor para generación de electricidad

El principio del funcionamiento es sencillo y se basa en la captación de energía solar mediante un conjunto de colectores por los cuales se hace circular un líquido caloportador que se transfiere a un sistema de almacenamiento para abastecer el consumo de agua caliente a una temperatura de 60 ºC o inferior.

La aplicación más usual de los sistemas solares es la generación de agua caliente sanitaria, calentamiento de piscinas, calefacción por suelo radiante, usos industriales, etc. Siendo los clientes potenciales los lugares donde el consumo de agua caliente es elevado, y supone un costo importante su calentamiento como son el caso de los hoteles, residencias, polideportivos, piscinas climatizadas, viviendas particulares, etc.

Nº de colectores instalados en Europa

APROVECHAMIENTO TÉRMICO A BAJA TEMPERATURA

La captación de la energía solar de baja temperatura se realiza a través de colectores planos, cuya características principales son:

- No tienen poder de concentración, es decir, la relación entre la superficie externa del colector y la superficie captadora, la interior, es prácticamente la unidad.

- Captan tanto la radiación directa como la difusa

COLECTORES SOLARES PLANOS

Despiece

Funcionamiento

Cubierta exterior. Generalmente formada por una lámina de cristal, lo más transparente posible, aunque a veces es sustituida por algún tipo de plástico (Tedlar, EVA).

Placa absorbente. Es prácticamente una placa plana pintada de negro, con objeto de aumentar su poder de absorción y disminuir la reflexión. Podemos encontrar los tubos para el fluido caloportador, que van soldados a la placa o sencillamente son parte de ella.

Aislamiento. Es el recubrimiento en todos los lados del panel, excepto en la parte acristalada, que evita pérdidas térmicas.

Caja exterior. Es la que alberga a todos los componentes (cubierta exterior, placa absorbente, aislamiento) generalmente de aluminio, por su poco peso y aguante a la corrosión.

PARTES DE UN COLECTOR SOLAR PLANO

El funcionamiento del colector solar sin concentración se basa en el efecto invernadero. La radiación solar que entra a través de la cubierta transparente, incide directamente sobre el sistema de conducción de agua y la placa absorbente. Al principio, cuando el colector entra en funcionamiento (entrada de agua fría por primera vez), el sistema absorbe gran cantidad de energía, ya que precisa calentar todos los elementos y el agua del interior del serpentín, pero una vez llegado al punto denominado de equilibrio dinámico, es la propia placa la que emite calor, del cual sólo una pequeña parte inferior al 10% se perderá por radiación a través de la cubierta de vidrio. Es entonces cuando se mantiene un efecto invernadero en el interior de la caja colectora.Todo el sistema tiene un rendimiento que varía en función de la intensidad de luz que recibe y la temperatura interior, pero podemos estimarlo entre un 30% y un 50%.

FUNCIONAMIENTO COLECTOR SOLAR PLANO

1. Cubierta transparente 2. Placa absorbente

3. Aislamiento 4. Radiación reflejada en el interior

5. Radiación emitida por la cubierta al calentarse

EFECTO INVERNADERO EN COLECTOR PLANO

ESQUEMA CLIMATIZACIÓN PISCINA

CIRCULACIÓN DEL FLUIDO

El fluido caloportador puede desplazarse, dentro del circuito de calentamiento, de dos maneras:

• Por circulación natural • Por circulación forzada

Ventajas

• Sistemas sencillos (uso doméstico o rural).• Economía de instalación. • No hay piezas en movimiento. • No necesitan energía adicional para su funcionamiento.• Mínimo mantenimiento.

Desventajas

• Lenta puesta en régimen.• Pueden generar problemas estéticos de integración con el edificio. • Condicionamientos en el montaje ya que los dispositivos acumuladores tienen que estar situados por encima del colector. • Rigurosas pendientes en las cañerías o tubos. • Diámetros relativamente grandes.

CIRCULACIÓN NATURAL O TERMOCIRCULACIÓN

Ventajas y características

• Sistemas más complejos. • Rápida puesta en funcionamiento. • Mayor flexibilidad de montaje. • Diámetros más pequeños. • Facilitan la integración arquitectónica. • Los caños o tuberías no necesitan pendientes especiales.

Desventajas:

• Se necesita energía eléctrica para su funcionamiento. • Mayor costo de inversión (Bomba, controlador y sensores). • Mayor costo de mantenimiento (Piezas en movimiento).

CIRCULACIÓN POR BOMBA O FORZADA

M2 COLECTORES PLANOS INSTALADOS

COLECTORES PLANOS INSTALADOS M2/1000Hab

SISTEMAS DE MEDIA TEMPERATURA

Son dispositivos de baja concentración, se trata de un conjunto de colectores cilindro parabólicos que se mueven con el sol concentrando la radiación en una tubería ubicada a lo largo del foco, la cual concentra el fluido de trabajo que transporta el calor adquirido. Este fluido que se mueve en el tubo es calentado y transportado a una red de tuberías diseñada para minimizar las pérdidas por calor.Los sistemas parabólicos típicamente tienen una línea focal horizontal simple y por lo tanto rastrean el sol a lo largo de un solo eje, ya sea norte - sur o este - oeste.

REFLEXIÓN DE LA RADIACIÓN EN UN

COLECTOR CILINDRO PARABÓLICO

ESQUEMA GENERAL PRODUCCIÓN MEDIA TEMPERATURA

En el campo solar, el agua de alimentación es precalentada, evaporada y convertida en vapor sobrecalentado conforme circula por los tubos absorbentes de una fila de colectores cilindroparabólicos de 550 m de longitud y 2.750 m2 de superficie de captación solar. La Instalación puede producir 0,8 Kg/s de vapor a 100 bar y 370ºC.

Otra aplicación industrial interesante de la energía solar es la desalinización del agua de mar para la obtención de agua potable.

DESALINIZACIÓN DEL AGUA MARINA

SISTEMAS DE ALTA TEMPERATURALos dispositivos de alta concentración son los

llamados sistemas de receptor central. Existiendo diferentes formas de funcionamiento.

La radiación solar se capta por medio de un conjunto de espejos curvos,llamados heliostatos, que reflejan la luz del sol concentrándola en un único punto o foco. Generalmente, el calor es transmitido a un depósito de agua, que a altas temperaturas se evapora, hecho éste que es aprovechado para hacer mover una turbina. Esta turbina, igual que en cualquier central eléctrica, está unida a un generador que es el encargado de producir electricidad.

El rendimiento global de una central termosolar de generación de electricidad está en el rango del 16-20%

Ver esquema horno solar

El horno puede trabajar como receptor-evaporador, que es el modo más habitual, haciendo hervir el agua para producir vapor que se aplicará a las palas de una turbina generadora de energía eléctrica.

Otro modo de funcionamiento es el de receptor de fluidos líquidos como sodio y potasio, que por sus características pueden ser fusionados a baja presión; este sistema obliga a tomar alguna precaución en el manejo de las sales. 

Finalmente, el modo de funcionamiento de mayor rendimiento, aunque con variaciones de temperatura muy peligrosas para el dispositivo, es el de receptor de aire, mediante el cual se calienta aire a altas temperaturas que mueven una turbina de gas.

TIPOS DE FUNCIONAMIENTO DEL HORNO SOLAR

Heliostatos

Receptor solar Turbin

a

Alternador

ESQUEMA HORNO SOLAR DE TORRE CENTRAL

Ver fotografía

PLATAFORMA SOLAR DE ALMERIA

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HELIOSTATOS

RECEPTOR SOLAR

HELIOSTATO

Recogen la radiación solar y la focalizan sobre un punto de la torre.

La misión de estos espejos o heliostatos es seguir el movimiento solar a lo largo del día y su control se realiza por medio de programas software (hay que recordar que el movimiento del sol en una determinada latitud y para una época del año y un día concretos está totalmente determinado).

ESQUEMA RECEPTOR TORRE SOLAR

El foco funciona como receptor del calor que lo transfiere al fluido de trabajo (agua, aceite, aire, sales...), que es el encargado de transmitir el calor a otra parte de la central termosolar.

Imagen por infrarrojos detectando las perdidas de calor de una vivienda

ENLACES

www.censolar.es página muy buena con abundante información y programas gratuitos

www.psa.es página de la plataforma solar de Almería. Información experimental.