Energías Renovables: El SOL

Optativa I: Energías Renovables

Ciclo escolar 2014 – 2015 Mauricio Reyes G.

INTRODUCCIÓN •  Energía de la Tierra = concepto relativo, puesto que ésta fluye continuamente hacia dentro y

fuera del planeta. •  Para el planeta, la principal fuente de energía es la nuclear (contenida en los núcleos de la

materia que la conforman), seguida de la electromagnética (que llega desde el Sol) y la gravitacional la tenemos hasta el final (interacción entre Tierra-Luna-Sol).

•  Desde el Sol a la Tierra solo llega una ínfima parte de la que éste irradia hacia el espacio. •  Da lugar a una serie de fenómenos sobre la atmosfera, el agua y finalmente sobre la

tierra. •  Inciden en la Tierra 1,559,280 TWh aproximadamente al año. Equivalente a 15,000 veces

la que se consume en el mismo tiempo en todo el planeta. •  30% se refleja al espacio (no llega a rozar la superficie terrestre), •  50% se absorbe como calor (nuevamente se irradia hacia el espacio), y •  El 20% restante provoca el ciclo hidrológico, que origina los vientos, y a su vez estos

las olas, y el resto para la fotosíntesis y los combustibles fósiles.

DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR INCIDENTE EN LA TIERRA

CLAS

IFIC

ACIÓ

N DE

LAS

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NTES

EN

ERGÉ

TICA

S.

ENERGÍA SOLAR •  La energía solar llega a la superficie de la Tierra como luz ultravioleta, luz visible e

infrarroja.

•  Su potencial energético es variable, por que depende de la hora del día, época del año, situación atmosférica (nubes, smog, climas, estación del año, etc.)

•  En teoría se dice que aproximadamente 1,4 kW/m2 es la radicación media incidente fuera de la atmosfera.

•  Métodos de aprovechamiento:

•  Térmicos, y

•  Fotovoltaicos.

ENERGÍA SOLAR •  A pesar de que la energía solar se distribuye por todo el planeta, tenemos:

•  Es superior en las zonas ecuatoriales y tropicales (± 35º alrededor del ecuador).

•  Es inferior en las zonas polares.

•  Australia, el Sahara, Arabia Saudi, Atacama en Chile y el Suroeste de los EEUU, son las zonas de mayor potencial.

•  Se dice que alrededor del 1% de toda la energía total procedente del Sol es utilizable al 100%

•  Supera los 1,000 TW.

•  Dicen los expertos que si toda España pusiera en sus tejados celdas solares se alcanzaría a producir alrededor de 180TWh.

ENERGÍA SOLAR •  En cuanto a producción y consumo, estos son idénticos, tanto en tiempo como en espacio

(no se trasporta de una zona a otra).

•  Alrededor de todo el mundo hay aproximadamente más de 300 MWe (MegaWatt eléctrico) instalados en centrales fotovoltaicas. Países destacados:

•  Japón (110 MWe).

•  EEUU (60 MWe).

•  EU (38,6 MWe).

•  Se le considera a la energía solar un producto ILIMITADO.

MÉTODOS DE APROVECHAMIENTO •  Los térmicos son los encargados de transformar o calentar el

aire, agua u otras sustancias. •  Los fotovoltaicos transforman la energía del sol en energía

eléctrica mediante un proceso químico producido por el efecto fotovoltaico.

Israel para 2009 aproximadamente el 90% de sus hogares ya contaban sistemas solares térmicos.

La Central Gemasolar (Argentina)

Central Solar Fotovoltaica.

Aplicaciones

El Sol

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

•  Muchas civilizaciones antiguas le han dado al SOL un nombre diferente, lo cual da buena fe de su gran importancia de su comportamiento.

Ra (Egipcios)

Tonatiuh (Aztecas)

Amaterasu (mitología japonesa)

Helios (para los Griegos estaba primero el

Titán y después el dios Apolo)

SOL

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA •  El sol es, será y ha sido de gran importancia, que se puede valer de él como

aprovechamiento energético en la vida cotidiana.

Necesidades básicas

Abrigo

Seguridad

Alimento

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA •  El calendario, es el ejemplo más claro de utilización que podemos aún ver y que se

basa en cálculos ± precisos para determinar estaciones o temporadas especificas (solsticios y equinoccios), cómputo de años, etc.

Stonehedge (Reino Unido)

Templo Abu Simbel (Egipto)

Casa Ricañaada (pueblo Anasazi – Nvo México)

Chiche Itzá (México)

Angkor Wat (Camboya)

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA •  No se pueden quedar atrás las leyendas sobre el SOL.

“Arquímedes logró quemar varias naves a través de la fuerza incandescente del sol, durante el asedio en 212 a.C. A la cuidad de Siracusa”.

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Se consideran las primeras utilizaciones

Secado de determinados

productos.

Evaporación de agua para la obtención de

sal.

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA •  Con este pequeño paseo por la antigüedad pudimos ver que muchos de los

conocimientos que ahora se están retomando, ya los conocían las culturas antiguas.

•  Dichos conocimientos se cree que se perdieron en la época del Oscurantismo (Medievo), en donde el conocimiento era solo para algunos cuantos y si le sumamos que aparte existían diferentes razones y situaciones de carácter bélico, religioso y político.

ORIGEN DE LA EST

SOL E = mc2

Radiación Electromagnética

La radiación electromagnética que emite el sol es una forma de energía que puede desplazarse en el vacío.

E = cantidad de energía liberada cuando desaparece la masa (m). C = velocidad de la luz.

ORIGEN DE LA EST

LA RADICACIÓN SOLAR La radiación efectiva que llega a la Tierra los hace por medio de 3 vías:

•  Radiación directa: es la que incide directamente sobre los objetos iluminados por el sol.

•  Radiación difusa: es la que incide indirectamente, es la típica de los días nublados. Se produce al desviarse los rayos del sol, debido a las partículas solidad y moléculas que hay en el aire.

•  Radiación reflejada: (Albedo), es la radiación procedente de la reflexión de la radicación directa en los elementos del entorno (cerca del mar y zonas de nieve).

POTENCIAL DE LA EST •  Se estima que la emisión total del SOL al espacio es de 3,84*1026 W. Esto es asumiendo una temperatura

promedio del astro en los 5,760 K.

•  Como la Tierra se encuentra aproximadamente a 150 millones de kilómetros del Sol, solo una pequeña fracción de esa emisión solar se intercepta en nuestro planeta.

•  Recordemos nuevamente que la constante solar es de 1,4 kW/m2 en una superficie perpendicular al rayo del sol en la parte superior de la atmosfera. Quedando así alrededor de unos 900 W/m2 cuando llega a la superficie terrestre.

MEDIDAS •  En la práctica, no basta con solo calcular la radiación teórica incidente en un lugar u

objeto solar determinado.

•  Para medir la radicación solar en cada momento se utilizan diversos aparatos. Los más comunes son:

•  Piranómetro: mide la radiación global (directa + difusa). Aparato fijo.

•  Piroheliómetro: mide radiación directa. Aparato con un sistema de tipo reloj para seguir al sol con gran precisión.

APROVECHAMIENTO DE LA EST

APROVECHAMIENTO DE LA EST •  Conversión térmica: absorbe la energía solar y la transforma en calor. Esta

tecnología también nos permite obtener energía eléctrica de manera indirecta mediante la transformación de calor.

•  Conversión eléctrica: convierte directamente la energía solar en energía eléctrica.

La energía térmica captada se puede utilizar de manera pasiva o activa.

ENERGÍA SOLAR PASIVA •  Esta energía es la que se aprovecha mediante el acondicionamiento de las edificaciones

siguiendo las pautas de la arquitectura bioclimática o en algunos casos sustentable.

•  Se diseñan los edificios de manera tal que se aproveche de manera óptima las condiciones medioambientales del entorno, para disminuir el consumo de energía convencional.

ENERGÍA SOLAR ACTIVA •  La tecnología que se utiliza para captar este tipo de energía se puede clasificar en:

•  Baja temperatura (menor a los 90 ºC).

•  Media temperatura (de los 90 ºC a temperaturas menores a los 400 ºC).

•  Alta temperatura (de mas de 400 ºC)

TECNOLOGÍA DE BAJA TEMPERATURA

Uso común de la EST de Baja

Temp.

Calentamiento de agua sanitaria

TECNOLOGÍA DE BAJA TEMPERATURA Subsistema

Captación

Subsistema

Acumulación

Subsistema

Intercambiador

Subsistema

Auxiliar

•  Mejormente conocidos como los colectores solares térmicos planos.

•  Pertenecen la grupo denominado “SIN CONCENTRACION”. Ya que utilizan la energía solar con la misma intensidad que incide en ellos.

•  Ocupan el aproximadamente 90% de la producción de colectores (incluyendo los de tubos al vacío).

Características Generales:

a)  Resistentes a las condiciones climatológicas extremas.

b)  Resistentes a las altas y bajas temperaturas.

c)  Duradero y estable.

d)  Fácil de montar.

e)  Muy eficiente en la conversión de energía.

EST DE BAJA TEMPERATURA SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN

EST DE BAJA TEMPERATURA SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN

EST DE BAJA TEMPERATURA SUBSISTEMA DE ACUMULACIÓN •  Normalmente se pueden identificar por que sus componentes principales son

contenedores tipo tanque de acero tratado.

•  Su finalidad es la de almacenar todo el calor posible para cuando sea solicitado.

•  Los de intercambiador independizan el agua que circula por el captador del agua de consumo.

Los auxiliares están compuestos por un conjunto de elementos:

•  Tubos de conducción

•  Válvulas.

•  Purgadores.

•  Bombas.

•  Energía auxiliar.

•  Otros.

EST DE BAJA TEMPERATURA SUBSISTEMA DE INTERCAMBIADOR Y AUXILIAR

TECNOLOGÍA DE BAJA TEMPERATURA Finalmente podemos observar que casi todos o en su totalidad todos lo subsistemas se utilizan para el suministro de agua caliente. Pero también los podemos subdividir por su tipo de instalación:

• Utilizan un solo circuito de agua. •  El agua se hace pasar por el colector solar. •  Se almacena para su uso. • No requiere de un intercambiador.

Instalaciones de circuito

abierto.

• Utilizan 2 circuitos interconectados por un sistema intercambiador.

•  El primer cto. sede el calor al segundo cto.

Instalaciones de circuito cerrado.

TECNOLOGÍA DE BAJA TEMPERATURA

son aquellos que van equipados con bombas que provocan la circulación del fluido.

•  Permiten la co locación de los captadores sobre el techo de los edificios y los tanques de acumulación en el interior de los edificios.

•  Son caros y se debe de justificar su instalación.

•  Pueden ser de circuito cerrado y aporte indirecto, o de circuito abierto y aporte directo.

son aquellas en donde el fluido circula de manera natural. (termosifón)

•  Son más baratos.

•  Tanto el captador como el acumulador se instalan en el techo de las edificaciones.

•  Pueden ser de circuito cerrado y aporte indirecto, o de circuito abierto y aporte directo.

CLASIFICACIÓN DE LAS INST. SOLARES TÉRMICAS

TECNOLOGÍA DE ½ TEMPERATURA

TECNOLOGÍA DE ½ TEMPERATURA Subsistema

Captación

Subsistema

Intercambiador de tanques de aceite

Subsistema

Evaporación de agua.

Subsistema

Aplicación

TECNOLOGÍA DE ½ TEMPERATURA •  Constituido por los colectores de concentración.

•  Proporcionan temperaturas de mas de 400 ºC.

•  Todos los modelos desarrollados disponen de dispositivos de seguimiento solar.

•  Aprovechan la radiación directa y desaprovechan la radicación difusa.

•  Se utilizan desde los años 80’s.

•  Es la tecnología mas desarrollada.

•  Produce potencias aproximadas entre los 50 MW y los 200MW.

HTF = Head Transfer Fluid (termo fluido sintético)

TECNOLOGÍA DE ½ TEMPERATURA •  En la imagen pasada podemos observar que con el uso del HTF podemos generar vapor

y este a su vez genera electricidad.

•  En México se encuentra en proceso de construcción de un campo o parque con esta tecnología. EE.UU. y EU ya cuentan con esta tecnología instalada y en funcionamiento (tan solo en España hay 13 centrales).

•  Por la eficiencia que tiene esta tecnología (GDV – Generación Directa de Vapor), se busca apuntalarla como tecnología de uso para la reducción de al menos un 20% de costos en generación de electricidad.

TECNOLOGÍA DE ½ TEMPERATURA Además:

•  Reducción delos costos de electricidad.

•  Menores riesgos medioambientales (cambio de aceite por H20).

•  Rendimientos alcanzados más altos (aumento de temperatura del vapor sobre calentado).

•  Reducción de la dependencia tecnológica del exterior con este tipo de plantas (venta de energía a otros países).

TECNOLOGÍA DE ½ TEMPERATURA •  Tecnología FRESNEL

•  Otra tecnología utilizada también de ½ temperatura, bajo el mismo tipo de operación que la de HTF.

TECNOLOGÍA DE ALTA TEMPERATURA

TECNOLOGÍA DE ½ TEMPERATURA Subsistema

Captación

Subsistema

Intercambiador de tanques de aceite

Subsistema

Evaporación de gases.

Subsistema

Transformación de energía cinética de los gases en energía mecánica de rotación.

Subsistema

Turbina (generación de energía eléctrica).

TECNOLOGÍA DE ALTA TEMPERATURA

TECNOLOGÍA DE ALTA TEMPERATURA •  En estas tecnologías en Subsistema de captación emplea concentradores de foco

puntual, con lo cual se logra resolver pérdidas por radiación y convección al exterior.

•  Esta tecnología consigue factores de concentración de la radiación muy superiores a lo que se tienen en las tecnologías de media temperatura.

TECNOLOGÍA DE ALTA TEMPERATURA DISCOS PARABÓLICOS:

•  Construcción bajo espejos parabólicos en cuyo foco se ubica el receptor solar.

TECNOLOGÍA DE ALTA TEMPERATURA CENTRALES DE TORRE:

•  Consisten en una serie de espejos orientados, denominados heliostatos que reflejan la radiación sobre una caldera situada en la torre central.

SISTEMA DE TORRE

TEMPERATURAS SEGÚN LA TECNOLOGÍA UTILIZADA

COSTOS DE LA EST •  Baja temp.

•  Relacionado al dimensionamiento de la instalación.

•  Aproximadamente entre $4000 y $8000 el costo de una instalación unifamiliar para 3-8 personas.

•  Al costo se le aumenta un aproximado del 10% para costos de manutención.

•  Conviene mejor la instalación de un solo sistema grande a la instalación de varios pequeños (sea el caso).

•  Media y Alta temp.

•  Previsible producción en masa de los componentes y la amenaza de la aparición de nuevos suministradores. Permitiendo la reducción de los costos de generación a mediano plazo.

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LA EST •  El impacto del aprovechamiento de la energía solar se puede analizar en 2 vértices:

1.  Los beneficios que supone la reducción de las emisiones de gases y partículas contaminantes a la atmosfera. •  Sustitución de los combustibles fósiles.

2.  La afectación del medioambiente. •  Como la utilización de la energía solar térmica de baja temperatura en la

mayoría de las ocasiones está asociada al entorno urbano, entonces, el impacto visual sea tal vez probablemente el único aspecto negativo. Sin embargo, las modificaciones a los diseños y una adecuada integración de los paneles en las edificaciones o construcciones puede lidiar con esto.

•  La energía de media y baja temperatura afecta solo zonas en donde poblaciones de flora y fauna son escasas, pero aún no hay indicadores de que tan fuerte sea el golpe medioambiental.

El Sol

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA (ESF) •  La ESF se basa en la utilización de células solares o fotovoltaicas, fabricadas con

materiales semiconductores cristalinos.

•  Semiconductor: elemento que según condiciones se comporta como u conductor o un aislante. Los más utilizados son el Silicio y el Germanio.

•  El Silicio es la base de la mayoría de los materiales más ampliamente utilizados en el mundo para la construcción de células o paneles solares.

•  Como antecedentes tenemos al científico Edmund Becquerel (1839), descubrió que ciertos materiales podrías generar pequeñas corrientes eléctricas cuando eran expuestos a la luz blanca.

•  En 1873 Willoughby Smith observo el mismo efecto que becquerel pero en un material más solido como el selenio.

•  Pasaron más de 100 años para que esta tecnología comenzara a madurar.

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA (ESF) •  W. G. Adams y R. E. Day (1977) produjeron la primera célula o panel fotovoltaico. (se

utilizo selenio)

•  Antes de este evento en 1904, Einstein en sus teorías electromagnéticas ya explicaba el efecto fotovoltaico.

•  Partes cruciales del desarrollo de esta tecnología la han tenido las exploraciones o programas espaciales.

POTENCIAL DE LA ESF •  Las tecnologías que ya venimos manejando (térmica y fotovoltaica) son las únicas formas

de producir energía (la más común la energía eléctrica)utilizando el potencial que nos regala el SOL.

•  Entonces en cierto modo hemos dejado de lados a los FOTONES, los cuales dan gran parte de su energía a otras fuentes de energía que no están ligadas directamente al SOL.

•  La fotosíntesis (energía fosil).

•  El viento (energia eolica).

•  La evaporación de mares (energía hidraulica).

POTENCIAL DE LA ESF •  Las celdas o células fotovoltaicas están diseñadas para convertir a los fotones en energía eléctrica.

•  Los fotones hay que recordar viajan por los rayoso solares.

•  Los rayos solares obviamente los vemos como luz y esta luz se puede denominar luz blanca y ella se forma por la unión de todos los colores o arcoíris (380 nm – 770 nm).

•  Los fotones a convertir se encuentran dentro del rango de los 450 a 500 nm (nanómetros) que son lo de color azul. Son fotones mucho más enérgicos que los fotones del rango de los colores rojos entre 610 – 830 nm.

ESPECTRO

POTENCIAL DE LA ESF •  Entonces como ya se había mencionado aproximadamente entre el 14% y 15% de la

energía solar se transforma en energía de uso (energía eléctrica) en el modulo solar.

•  Los anterior constituye una importante limitación para los paneles, ya que se necesita instalar una superficie bastante grande para obtener un potencial energético grande.

•  Tomando en cuenta lo anterior, pues podemos decir que la superficie a utilizar también es grande (tejados y techos, desiertos y zonas de secano).

•  Con las mejores condiciones o las condiciones ideales la irradiancia solar puede ser del orden de 1kW/m2. Pero en la práctica no se espera mas que alrededor de 150 W.

•  La presencia de nubes o de la época del año nos haría disminuir mucho la cantidad de los 150. A esto también aumentemos las perdidas que hay en los materiales de los dispositivos que se utilizan en esta tecnología.

TECNOLOGÍAS PARA APROVECHAR LA ESF

•  Silicio Monocristalino •  Silicio Policristalino


• Se producen como las monocritalinas, solo que se utiliza silicio de bajo costo.

• Su superficie presnta un patron aleatorio de criztalización.

• La mayoría de las que se encuentran en el mercado.

• Color uniforme, generalmente azul o negro. • El silicio es purificado y fundido, para ser

cristalizado en lingotes que se cortan en finas obleas.

•  Silicio Ribbon


• Su apariencia regularmente es prismática multicolor.

•  Silicio amorfo


• Su principal desventaja es el desgaste debido a la exposición a la luz. • Su principal ventaja es el bajo costo de producción.

•  CIS o CIGS (Cobre Indio Galio y Diselenuro)


• Células solares de alta eficiencia y bajo coste. • Son producidas en Cu(InGa)Se2 - CuInSe2 • La principal desventaja es la fabricación, es muy complicada y por lo mismo

se necesita una inversión inicial importante. • Otra desventaja es la alta toxicidad de la capa de CudS o CdS. Y la

disposición de materiales.

•  Telurio de Cadmio.


• La principal ventaja son las técnicas de fabricación y un gran potencial para producciones a gran escala.

• La principal desventaja son el coste de los materiales.

•  Otras: •  Microsilicio.

•  Dioxido de titanio.

SISTEMAS AUTÓNOMOS Y CONECTADOS A LA RED

•  Sistemas instalados en zonas rurales.

•  Conocidos cono sistemas aislados.

•  Parte fundamental para garantizar energía eléctrica y comunicaciones.

•  Requiere de un sistema de baterías para almacenar energía que será consumida.


•  Generados Fotovoltaico acoplado a un inversor que opera en paralelo con la red eléctrica.

•  Se exige la instalación de huertas o granjas de células.

•  Fácil instalación y costo proporcional.

COSTOS DE LA ESF •  Los costos de la instalación dependen directamente de los tipos de materiales con que se

ensamblan los subsistemas de nuestra instalación.

•  Los costos de cada kWh depende del costo de la instalación, el cual se amortiza a lo largo de la vida útil de la instalación; del costo de explotación; y de la energía que se produce, la cual depende en gran medida de la radiación del sol.

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LA ESF •  Es necesario diferenciar entre las instalaciones aisladas de la red y las conectadas a la

red.

•  Los aspectos negativos de las primeras son mínimos y estarían relacionados con el impacto visual. Como su instalación es de fácil integración se puede decir que es nula su impacto visual.

•  Por otro lado, las instalaciones conectadas a la red eléctrica nacional, son instalaciones de grandes dimensiones y en este caso si se debe de tener en cuenta el impacto paisajístico que se puede ocasionar debido al suelo ocupado y los tendidos requeridos para llevar la energía a otro lugar.

IMPACTO MEDIOAMBIENTAL DE LA ESF •  Aun se considera superior el gasto de energía durante la producción de células solares,

al que se pueda generar con ellas.

•  No producen CO2 en grandes cantidades, pudiéndose decir que son nulas porque son significativamente más pequeñas y de manera indirecta.

•  El desmantelamiento de estos sistemas no es problemático.

•  No contaminación sonora.

•  Los módulos fotovoltaicos son reciclables (la materias primas se pueden volver a utilizar).

•  En consecuencia se disminuye más aún el consumo energético asociado a esta tecnología.

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