Manuales Sobre Energia Renovable - Solar Termica

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Hecho el depsito de Ley. Reservados todos los derechos.Copyright 2002, BUN-CA, Setiembre del 20021a edicinSan Jos, Costa RicaEste Manual puede ser utilizado para propsitos no-comerciales con el debido reconocimiento al autor.EstapublicacinhasidoposiblegraciasalasistenciafinancieradelFondoparaelMedioAmbienteMundial (GEF) e implementando por el Programa de la Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) enel marco del Programa Operacional #6 del real Temtica de Cambio Clitico del GEF. Las opinionesexpresadas en este documento son del autor y no necesariamente refrejan el parecer del Fondo parael Medio Ambiente Mundial o del Programa de las Naciones unidas para el Desarrollo.621.47M2946m Manuales sobre energa renovable: Solar Trmica/Biomass Users Network (BUN-CA). -1 ed. -San Jos, C.R. : Biomass Users Network(BUN-CA), 2002.42 p. il. ; 28x22 cm.ISBN: 9968-904-01-51. Energa Solar. 2. Recursos Energticos -Amrica Central. 3. Conservacin de la Energa.4. Desarrollo Sostenible. I. Ttulo.A AmperioAC Corriente alternaAh Amperio-horaB/N Blanco y negroBtu Unidad trmica Britnica( 1 Btu = 1055.06 J)BUN-CA Biomass Users NetworkCentroamricaCO Monxido de CarbonoCO2Dixido de CarbonoDC Corriente DirectaEPDM Ethylene Propoylene DieneMonomerG Giga (109)GEF/FMAM Fondo para el Medio Ambiente MundialGls GalonesGTZ Cooperacin alemana para el desarrolloGW Giga vatio (109vatios)Gwh Giga vatios horaHCsHidrocarburosHR Humedad relativaHz HertzJ Joule (0,239 calora 9,48 x 10 -4, unidades trmicasbritnicas, Btu)J/s Joules por segundoK Kilo (10 3)Km/sg Kilmetros por segundokW (1000 vatios) unidad de potenciaKw/m2Kilovatios por metro cuadrado2Tabla de simbologakWH Kilovatio horakWH/m2Kilovatio hora por metrocuadradoLPG Gas de petrleo lquidolts LitrosM Mega (106)m2Metro cuadradom3Metros cbicosmm Milmetrosm/sg Metros por segundoMW Mega vatiosC Grados CentgradosONG Organizacin No GubernamentalPsig Libras de presin por pulgada cuadradaPNUD Programa de las Naciones Unidas para el desarrolloPV Fotovoltaico (por sus siglas en ingls)PVC Cloruro de poliviniloT Tera (1012)TCe Toneladas de carbn equivalenteTM Tonelada mtricaUS$ Dlares USAUV UltravioletaV Voltios (el monto de presinde electricidad)W Vatios (la medida de energaelctrica, Voltios x amperios= vatios)Wp Vatios picoW/m2Vatios por metro cuadradoP ara la regin de Amrica Central, las tecnologas de energa renovable a pequea escala presentanuna alternativa econmica y ambiental factible para la provisin de energa a comunidades ruralesremotas y para la expansin de la capacidad elctrica instalada, ya sea por medio de sistemas aisladosoporproyectosconectadosalaredelctrica.Laregincuentaconsuficientesrecursosparadesarrollar sistemas hidrulicos, solares, elicos y de biomasa, principalmente.Adicionalmente,estastecnologaspuedendisminuirlacontaminacindelmedioambiente,causada por las emisiones de gases de los sistemas convencionales, que utilizan combustibles fsiles,como el carbn y productos derivados del petrleo. Estos gases contribuyen al efecto invernadero y alcalentamiento global de nuestro planeta.Sinembargo,existenbarrerasquedificultanunmayordesarrollodeestetipodeenerga:lafalta de conocimiento de las tecnologas y las capacidades institucional y tcnica an incipientes. Conelfinderemoverlabarreradeinformacinexistente,sehaelaboradounaseriedemanuales tcnicos con los aspectos bsicos de cada una de tecnologas, como: Energa de biomasa. Energa elica. Energa solar fotovoltaica. Energa solar trmica. Energa hidrulica a pequea escala.Estas publicaciones han sido elaboradas por la oficina, para Centroamrica,de Biomass UsersNetwork (BUN-CA), en el contexto del proyecto "Fortalecimiento de la capacidad en energa renovablepara Amrica Central" (FOCER) y con el apoyo de consultores especficos en cada tema. FOCER es unproyectoejecutadoporBUN-CA,conjuntamenteconelProgramadeNacionesUnidasparaelDesarrollo (PNUD), con el patrocinio del Fondo para el Medio Ambiente Mundial (FMAM o GEF), dentrodel rea focal de Cambio Climtico (Programa Operacional #6). FOCER tiene como objetivo remover barreras que enfrenta la energa renovable yfortalecer lacapacidad para el desarrollo de proyectos de este tipo a pequea escala, en Amrica Central, con el finde reducir las emisiones de gases que contribuyen el efecto invernadero. Este proyecto se ejecuta pormedio del apoyo tcnico y financiero a desarrolladores de proyectos, de la organizacin de seminariosytalleresdecapacitacin,ydelaasistenciaagobiernosenlaimplementacindepolticasyregulaciones apropiadas para la energa renovable.El presente manual, entorno a la energa solar trmica, tiene el objetivo de informar al lectorsobreestatecnologaenelmbitocentroamericano,ascomoadarlefuentesadicionalesdeinformacin. 31. Introduccin42. Qu es energa solar?E l sol, fuente de vida y origen de las diversas formas de energa que el ser humano ha utilizadodesdeeliniciodesuhistoria,puedesatisfacerprcticamentetodasnuestrasnecesidadessiaprendemos cmo aprovechar de forma racional su luz. Elsolesunaestrellaformadapordiversoselementosenestadogaseoso,principalmentehidrgeno, en condiciones tales que producen, de forma espontnea e ininterrumpida, un proceso defusin nuclear, el cual emite luz y calor. Este es el origen de la inagotable energa solar. Fuerza del SolLa fuerza del sol que llega a la tierra equivale a 10.000 veces el consumo mundial de energa.Esteastroescomounagranestrellacorriente,capazdehacerllegarhastanosotrosgrandescantidades de energa radiante. Se encuentra a una distancia de unos 150 millones de kilmetros de laTierraylaradiacinqueemitetardaalgomsdeochominutosenalcanzarnuestroplaneta,aunavelocidad de 300.000 km/s. Desde el punto de vista cuantitativo se puede decir que slo la mitad dela radiacin solar llega a la superficie de la Tierra. La restante se pierde por reflexin y absorcin enla capa de aire. LaformamsusualdemedirlafuerzadelSolesenkw/m2dereahorizontal.Enelmapamundial de radiacin solar (www.energie-atlas.ch/sonn-e.htm), se indica la radiacin promedio anualen kwh/m2. As muestra que la mayora de Amrica Central recibe una cantidad de 1.950 kwh/m2porao, un valor muy alto si se compara con Europa Central que recibe apenas, 1.100 kwh/m2por ao. Elaprovechamientoactivosepuederegirbajodospuntosdevistabiendiferenciados:laconversintrmicaoaprovechamientodelcalorcontenidoenlaradiacinsolar,ylaconversinelctricaoaprovechamientodelaenergaluminosa(fotones),paragenerardirectamenteenergaelctrica (efecto fotovoltaico). Este manual discute la conversin trmica, mientras que en otro de estaserie se trata el tema de la energa fotovoltaica.Historia del desarrollo yestado actual de la tecnologaElaprovechamientotrmicodelsoleraconocidoyaporlosromanos.Ellossabanqueuncuerpo negro absorbe ms el calor que un cuerpo claro, pero fue hasta la gran crisis del petrleo delosaossetentaenelsiglopasado,cuandoseempezladifusinmasivadelossistemassolarestrmicos. Duranteestacrisisenergtica,entodoelmundo,nacieronempresasquesededicabanalafabricacineinstalacindecolectoressolares,peroporfaltadeexperienciayconocimientos,lamayora fracas. As en esa poca, tales empresas se dieron cuenta de que la energa solar trmica, aprimera vista, parece una tecnologa primitiva y simple, pero requiere unas especificaciones tcnicasapropiadas con respecto al uso de materiales, pues no cualquierasoporta temperaturas mximas quesuperenlos150C.Enelpasadonosecalcularonlosproblemasdedilatacindelosmaterialesencambiosdetemperaturamuybruscos,loquesignificabaquesequebrabanlosvidriosdeloscolectores.Losproblemasdecorrosinporelcontactodirectodediferentesmetaleseranotrapolmica que provoc que muchas instalaciones solares no lograran el rendimiento esperado, por loque la vida til se qued muy por debajo de lo calculado tericamente.5Qu es energa solar?Mientras en los pases desarrollados hoy los productos han alcanzado una buena calidad, conunavidatildemsdeveinteaosyconunrendimientoalto;enlospasesenvasdedesarrollocontina la falta de buenos materiales en el mercado, y el elevado costo de un sistema solar de calidad.Laaplicacindelaenergasolartrmicaquehatenidomayorusoydivulgacineselcalentamiento de agua para uso domstico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieronen Estados Unidos hacia finales del siglo XIX. En Mxico se han estado utilizando y desarrollando estossistemasdesdeladcadadeloscuarentaypasescomoJapn,Israel,Chipre,Barbados,GreciaoEspaa han instalado varios miles de unidades. El incremento del precio del petrleo favorece an ms,tambinenlaregindeAmricaCentral,esteusodelaenergasolarparahogares,piscinas,hospitales, hoteles y procesos industriales.CaractersticasLaenergasolarpresentadoscaractersticasespecialesmuyimportantesqueladiferenciandelasfuentes energticas convencionales: dispersin e intermitencia.a. Dispersin: En condiciones favorables, la densidad de la energa del sol apenas alcanza 1 kw/m2, unvalormuypordebajodelqueserequiereparaproducirtrabajo.Estosignificaque,paraobtenerdensidadesenergticaselevadas,senecesitangrandessuperficiesdecaptacin,osistemasdeconcentracin de los rayos solares.b. Intermitencia: La energa solar no es continua, lo cual hace necesarios sistemas de almacenamiento.AprovechamientoElaprovechamientodelaenergasolarsepuedellevaracabodedosformas:elaprovechamiento pasivo y el activo. El aprovechamiento pasivo de la energa solar no requiere ningn dispositivo para captarla. Porejemplo,seusaenlaarquitecturaparasistemasdecalefaccinenclimasfros,atravsdegrandesventanasorientadashaciadondeelsolemitesusrayosdurantelamayorpartedelda.Otrasaplicaciones comunes son el secado de productos agrcolas y de ropa.Sin embargo, el uso o aprovechamiento activo ofrece soluciones ms interesantes, puesofrecealternativas para el uso de los recursos naturales que, comparadas con otras fuentes de energa, logranbeneficios econmicos sin deteriorar tales recursos. Los sistemas activos se basan en la captacin dela radiacin solar por medio de un elemento denominado colector. El aprovechamiento trmico de la energa solar se divide en tres reas: Aprovechamiento de baja temperatura (menos de 90C)