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3ordm SOLARTERMICA08 jj 12608 0544 Paacutegina 3


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Energiacutea Solar Teacutermica

Pep Puig Marta Jofra

EL SOL La radiacioacuten solar tiene su origen en el Soluna de las maacutes de 135000 millones de estrellas de la Viacutea LaacutecteaEl Sol es un inmenso reactor de fusioacuten tershymonuclear que quema cada segundo 600000000 toneladas de hidroacutegeno a 20 millones de grados Kelvin irradiando una cantidad de energiacutea equivashylente a 37x1023 kW lo que representa 64070 kW por m2 de superficie solar

El Sol estaacute localizado a una distancia media de 150 millones de kiloacutemetros respecto de la Tierra distancia conocida como unidad astronoacutemica (UA) y tiene una vida estimada de varios miles de millones de antildeos por lo cual tenemos asegurado

su funcionamiento seguro y sin ninguacuten gasto de inversioacuten ni mantenimiento

LA RELACIOacuteN ENTRE EL SOL Y LA TIERRA Cualquier persona que quiera aprovechar la energiacutea solar debe ser capaz de responder a la pregunta de queacute cantidad de energiacutea llega al lugar donde preveacute realizar la captacioacuten cada hora cada mes cada antildeo o en promedio (horario mensual anual) Para ello es necesario comprender el moshyvimiento relativo de la Tierra y el Sol La Tierra gishyra alrededor del Sol describiendo una oacuterbita eliacutepshytica Al mismo tiempo la Tierra gira sobre ella misma alrededor de un eje tardando un diacutea en hacer este giro

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De toda la energiacutea irradiada por el Sol el sisshytema atmoacutesferandashTierra intercepta durante su viaje alrededor del mismo soacutelo una parteel equishyvalente a 17x1014 kW lo que representa que una superficie perpendicular a los rayos solares recibe 1367 Wm2 Esta unidad se conoce como constante solar

En la superficie terrestre la insolacioacuten diaria queda bastante alejada de los niveles extra-atshymosfeacutericos por efecto de la absorcioacuten la refleshyxioacuten (efecto ldquoalbedordquo) y la dispersioacuten de radiashycioacuten por parte de las nubes y del resto de elementos quiacutemicos en suspensioacuten que ademaacutes

La energiacutea solar que absorbe la Tierra es del orden de 19000 kWhabitante lo que equivaldriacutea a la potencia de 120 millones de reactores nucleares de 1000 MW

de recortar los niveles de radiacioacuten directa que

Declinacioacuten (Estacioacuten correspondiente al hemisfero norte)

Equinocio de primavera 21 de marzo

Equinocio de otontildeo 21 de septiembre

Fuente Rosas MCendra J

Altitudceacutenit y azimut solar (Para el hemisferio norte)

Altitud solarO E

N

S

Punto de la superficie terrestre

Zeacutenit solar

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Azimut solar


Solsticio de verano 21 de junio

δδ = + 2345

δδ = - 2345 ordm

Solsticio de invierno

21 de dicembre


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Balance energeacutetico en la biosfera

Superficie terrestre

Gases y polvo Nubes

Fuente Domeacutenech X

Radiacioacuten directa

Radiacioacuten difusa

ReemisioacutenReemisioacuten

Absorcioacuten Absorcioacuten

Emisioacuten de radiacioacuten de

onda larga

SOL

llega a la Tierra la transforman en radiacioacuten difushysaComo ejemplo en diacuteas soleados mas del 90 de la radiacioacuten es directa superando 1000 Wm2 a nivel de la superficie de la Tierra en cambio para diacuteas seminublados se reduce hasta 600 Wm2 en diacuteas nublados llega a 300 Wm2 y en diacuteas con niebla se puede llegar hasta 100 Wm2

La fraccioacuten de energiacutea solar absorbida por la Tierra equivale a 12x1014 kW lo que represenshyta maacutes de 19000 kWhabitante la potencia coshyrrespondiente a 120 millones de reactores nucleshyares de 1000 MW de potencia eleacutectrica unitaria o 340000 veces la potencia nuclear instalada en el mundoA lo largo de un antildeo representa 14000 veces el consumo energeacutetico mundial o 28000 veces la produccioacuten mundial de petroacuteleo

El eje perpendicular al eje de rotacioacuten de la Tierra estaacute inclinado 2345ordm respecto al plano orbital marcado por la liacutenea Tierra-Sol con lo cual el eje que forman el Ecuador terrestre y el plano orbital varia a lo largo del antildeo entre + 2345ordm Este aacutengulo es lo que conocemos como declinacioacuten y da lugar a las distintas estaciones del antildeo ya que hace que los rayos del Sol incishydan con mayor o menor aacutengulo sobre la supershyficie terrestre

La posicioacuten relativa del Sol en el firmamento respecto a un punto de la superficie terrestre se puede definir por dos aacutengulos la altitud solar ndashque es el aacutengulo entre la liacutenea que pasa por el punto y el Sol y la liacutenea tangente a la superficie terrestrendash y el acimut solar ndashque es el aacutengulo enshytre la proyeccioacuten del Sol en el horizonte y la liacutenea norte-sur (toma valores positivos hacia el este y negativo hacia el oeste en ambos hemisferios) El aacutengulo complementario a la altitud solar se deshynomina zenit solar La posicioacuten del Sol en el firshymamento dependeraacute pues de la situacioacuten del punto en la Tierra de la eacutepoca del antildeo y del moshymento del diacutea


5A la derecha colector disco paraboacutelico que construyoacute el franceacutes Mouchot en 1874 Fue expuesto en la Exposicioacuten Universal de Pariacutes de 1878 Dos antildeos despueacutes un ayudante suyo expuso otro colector en los jardines de las Tuilleries con el que accionaba una maacutequina de vapor que a su vez accionaba una rotativa donde se imprimieron 500 ejemplares del ldquoJournal Soleilrdquo

Por todo ello para vencer los efectos que la declinacioacuten tiene sobre el aacutengulo de incidencia de la radiacioacuten solar y conseguir interceptar esta radiacioacuten de la forma maacutes perpendicularmente posible los captadores solares tienen que estar inclinados un cierto aacutengulo respecto al suelo y a la vez orientados lo maacutes al sur posible

EL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIacuteA SOLAR PARA USOS TEacuteRMICOS Aprovechar la energiacutea solar es captarla y convershytirla en energiacutea uacutetil para la humanidad Pero el resultado neto de este aprovechamiento es el mismo que si no hubiese habido interferencia humana en el proceso de irradiacioacuten hacia el esshypacio exterior La captacioacuten y el uso de le enershygiacutea del Sol soacutelo significa un retraso o un desfase en el proceso como resultado del aprovechashymiento humano o del aprovechamiento que reashylizan los procesos naturales de las plantas verdes (fotosiacutentesis)

FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS SOLARES TEacuteRMICOS El principio baacutesico comuacuten a todos los sisteshy

mas solares teacutermicos es simple la radiacioacuten solar es captada y el calor se transfiere a un medio porshytador de calor generalmente un fluido ndashagua o aishyrendash El medio calentado se puede usar directashymente ndashcomo por ejemplo en el caso de las piscinasndash o indirectamente mediante un intershycambiador de calor que transfiere el calor a su destino final ndashpor ejemplo la calefaccioacuten de un ambientendash

LOS CAPTADORES (O COLECTORES) SOLARES El sistema maacutes conocido de aprovechamienshy

to de la energiacutea solar es el captador solarque abshysorbe la radiacioacuten del Sol y transmite la energiacutea absorbida a un fluido portador (principalmente agua aunque tambieacuten se puede utilizar aire o una mezcla de agua con otros liacutequidos) El colector ademaacutes de absorber la radiacioacuten solar emite rashy

diacioacuten teacutermica y pierde energiacutea por conduccioacuten y conveccioacuten Los colectores solares que se coshymercializan actualmente tienen un elevado grado de absorcioacuten (minimizando la reflexioacuten y la transmisioacuten) y un bajo nivel de peacuterdidas caloriacutefishycas Si el colector estaacute unido a un depoacutesito de alshymacenamiento entonces el fluido iraacute transporshytando el calor hacia el depoacutesito donde la temperatura del fluido iraacute aumentando

Se han disentildeado distintas y avanzadas versioshynes de colectores solares teacutermicos con el objetishyvo de incrementar la cantidad de energiacutea absorshybida y disminuir las peacuterdidas Los maacutes comunes son los colectores planos que utilizan como fluishydo el agua y tienen una cubierta de vidrio En la actualidad tambieacuten se comercializan colectores solares tubulares de vaciacuteo con los que se consishyguen temperaturas mas elevadas Existen otro tishypo de colectores que utilizan aire como fluido

El principio de funcionamiento del colector solar se basa en la trampa de calor que una sushyperficie acristalada produce (conocido como efecto invernadero) La radiacioacuten incidente del Sol de onda corta atraviesa el cristal y es absorshy


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Esquema de sistema solarteacutermico con aporte adicional de energiacutea para una vivienda 1 Colector 2 Tanque 3 Intercambiador

de calor

4 Unidad de control y bomba de circulacioacuten

5Tanque de expansioacuten 6 Calentador de apoyo 7 Consumidor Fuente ESTIF

Sun in Action II A Solar Thermal Strategy for Europe

1

3 4

5

7

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Esquema de una instalacioacutensolar teacutermica sin aporte adicional de energiacutea (termosifoacuten)

Fuente ESTIF Sun in Action II A Solar

Thermal Strategy for Europe

colector

agua friacutea

agua caliente

acumulador

La foto en blanco y negro de la derecha es la casa con colectores solares disentildeada en 1938 por un equipo del Massachusetts Institute of Technology Al lado anuncio de Climax los primeros colectores comerciales en 1900 ya habiacutea instalados maacutes de 1600 sistemas de este tipo en California

bida por una superficie que se calienta Eacutesta a su vezemite radiacioacuten teacutermica (de onda larga)pero esta radiacioacuten es atrapada por el cristal que imshypide su paso

Los primeros colectores planos comerciales procediacutean de una patente realizada por CLKemp de Baltimore (Maryland 1891) Se denominaban Climax y en el antildeo 1900 ya habiacutea instalados maacutes de 1600 sistemas de este tipo en California

Para el aprovechamiento de la energiacutea solar se pueden distinguir dos grandes grupos de sisteshymas seguacuten necesiten o no alguacuten aporte adicional de energiacutea para hacer posible que la energiacutea solar captada pueda utilizarse como energiacutea teacutermica en el lugar donde se necesita

SISTEMAS SOLARES CON APORTE ADICIONAL DE ENERGIacuteA Los sistemas de aprovechamiento solar neshy

cesitan muchas veces alguna fuente de energiacutea adicional para el accionamiento de los elemenshytos de circulacioacuten del fluidoTal es el caso de las instalaciones para agua caliente sanitaria oy cashylefaccioacuten tanto si utilizan colectores planos coshymo tubulares de vaciacuteo Es lo que se conoce coshymo circulacioacuten forzada Mediante una bomba de circulacioacuten se puede situar el acumulador solar en el interior de un edificio lo cual permite una mejor integracioacuten del sistema Son maacutes flexibles pero tambieacuten maacutes complejos pues requieren una bomba y un controlador

Ya en el antildeo 1909WJBailey empezoacute a venshyder unos revolucionarios sistemas solares que suministraban agua caliente las 24 horas del diacutea con Sol o en diacuteas nublados Lo conseguiacutea sepashyrando el sistema de captacioacuten del de almacenashymiento Era el nacimiento de la tecnologiacutea que hoy se ha generalizado para el calentamiento del agua a partir del SolA finales de la Primera Guerra Mundial Bailey habiacutea instalado maacutes de 4000 bajo la marca comercial Diacutea y noche


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En 1938 un equipo de ingenieros del MIT (Massachusetts Institute of Technology) de Esshytados Unidos dirigidos por Hoyt Hottel iniciashyron dos deacutecadas de investigacioacuten en torno a la aplicacioacuten de colectores solares para calentashymiento de viviendas Disentildearon y construyeron una vivienda con colectores solares en el tejashydo que almacenaba la energiacutea del Sol en forma de agua caliente en un depoacutesito subterraacuteneo de 65000 litros situado en el subsuelo de la misshyma La segunda guerra mundial interrumpioacute esshyte trabajo

Mientras los proyectos del MIT se paralizashyban un ingeniero que habiacutea participado en ese proyecto Dr George Loumlf desarrolloacute un sistema de aprovechamiento de la energiacutea solar medianshyte colectores solares planos de aire situados en el tejado de un edificio preocupado por la posishyble escasez de la energiacutea debido las necesidades de combustible de la maquinaria militar durante la Segunda Guerra Mundial

Finalizada la guerra el equipo del MIT volvioacute sobre la vivienda con colectores solares e introshydujeron algunas modificaciones dotarla de una

fuente de energiacutea auxiliar y equiparla con granshydes ventanales en su fachada sur Durante dos antildeos fue ocupada por una familia y monitorizashyda completamente El resultado fue espectacushylar casi tres cuartas partes de las necesidades de calefaccioacuten fueron cubiertas mediante la energiacutea solar

Al mismo tiempo en Dover (Massachushysetts) la Dra Mariacutea Telkes decidioacute investigar las propiedades de los materiales que cambian de estado seguacuten la temperatura Utilizoacute las denoshyminadas sales de Glauber que tienen una capashycidad de acumulacioacuten de calor 7 veces superior al mismo volumen de agua

LOS SISTEMAS SIN APORTE ADICIONAL DE ENERGIacuteA Uno de los ejemplos maacutes elementales de esshy

tos sistemas es el constituido por el conjunto forshymado por una habitacioacuten en la cual hay una abershytura acristalada en la cara sur La radiacioacuten solar penetra en el recinto a traveacutes del acristalamiento calentando el aire y las paredes remitieacutendose al exterior soacutelo una pequentildea fraccioacuten de la radiashycioacuten incidente en la superficie del acristalamiento


Tambieacuten se incluye en estos sistemas la pa- permitiacutean la captacioacuten de la energiacutea del Sol soshy

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red gruesa de un edificio a la que da el Sol dushyrante el diacutea La pared absorbe la radiacioacuten acshytuando como un acumulador Por la noche libera la energiacutea acumulada Se han disentildeado versiones maacutes sofisticadas de paredes absorshybentes antildeadiendo exteriormente acristalamienshytos y haciendo circular aire entre el cristal y la pared En la deacutecada de los 50 este principio fue recuperado por Felix Trombe que construyoacute dishyversos edificios en el sur de Francia basaacutendose en esta elemental tecnologiacutea Desde entonces y en honor a su divulgador se conoce con la deshynominacioacuten de Pared Trombe De esta forma se puede lograr la climatizacioacuten de edificios (calenshytar en invierno y refrigerar en verano aproveshychando los ciclos diacutea noche invierno verano)

Los invernaderos son tambieacuten ejemplos de sistemas de aprovechamiento de la energiacutea soshylar sin aporte adicional de energiacutea tanto los utishylizados en la agricultura como los adosados inshytegrados en edificios de viviendas y oficinas

Tal vez el sistema maacutes sofisticado para el aprovechamiento de la energiacutea solar es la denoshyminada arquitectura solar a veces denominada tambieacuten arquitectura bioclimaacutetica que consiste en disentildear los edificios de acuerdo con la radiashycioacuten solar que se recibe y de las caracteriacutesticas del lugar Hace maacutes de 2500 antildeos en la antigua Grecia se empezaron a disentildear viviendas que

bre todo durante los meses de invierno (Soacutecrashytes deciacutea ldquoel edificio ideal ha de ser fresco en veshyrano y caacutelido en inviernordquo) De esta forma empezaron a construir viviendas y edificios orientados y con grandes aberturas al Sur de manera que en invierno el Sol penetrase en ellas y en verano a traveacutes de voladizos se impishydiera su entrada

Muchas culturas de la antiguumledadno soacutelo en Europa sino tambieacuten en Asia y Ameacuterica consshytruyeron edificios basaacutendose en el Sol Es bien conocida la cultura Anasazi (denominada ldquoPueshyblordquo por los invasores europeos) por sus edifishycios y poblados construidos a lo largo de los sishyglos XI y XII y que hoy no dudariacuteamos en calificar como bioclimaacuteticos

Pero tambieacuten los captadores solares pueden funcionar sin aporte adicional de energiacutea meshydiante los sistemas denominados termosifones que utilizan la gravedad para hacer circular el agua entre el colector y el depoacutesito de acumushylacioacuten pues el fluido caliente es menos denso que el friacuteo y tiende a circular hacia el depoacutesito que estaacute situado por encima del captador Estos sistemas son maacutes simples pues no precisan bombas de circulacioacuten ni reguladores pero por otro lado requieren que el depoacutesito de acumushylacioacuten esteacute situado encima del captador lo cual en muchos casos significa encima del tejado

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COLECTORES DE VACIacuteO concentracioacuten A pesar de ello la disposicioacuten

De entre las tecnologiacuteas que se emplean en la energiacutea solar termoeleacutectrica los sistemas disco paraboacutelicos (en la paacutegina anterior) son de momento los que menos desarrollo han alcanzadoA la izquierda colectores de tubos de vaciacuteo y un acumulador de agua

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Se puede aumentar el flujo medio de radiashycioacuten incidente substituyendo la instalacioacuten fija por un sistema de seguimiento del Sol Otras posibles mejoras del colector plano incluyen el revestimiento de las paredes del colector para reducir las peacuterdidas por reflexioacuten en la cara exshyterna e incrementar la reflexioacuten en las superfishycies interiores Las peacuterdidas por conveccioacuten se pueden reducir instalando protecciones en los bordes para evitar el efecto del viento Estas peacuterdidas se pueden reducir draacutesticamente hashyciendo el vaciacuteo entre la superficie absorbente y la de cobertura del colector Los colectores de vaciacuteo no tienen una superficie de captacioacuten plashyna sino que utilizan dispositivos ciliacutendricos y de

constructiva de los tubos de vaciacuteo en el captashydor le da una apariencia parecida a la de un coshylector plano

Los sistemas de concentracioacuten constituyen un tipo distinto de colectores solares Son imshyprescindibles si se requieren elevadas temperashyturas (superiores a 100oC) que un colector plashyno nunca podraacute suministrar Entre ellos existen los colectores que concentran en un punto y los que concentran en una liacutenea En ellos la sushyperficie absorbente corresponde a la imagen del Sol reflejada en la superficie de captacioacuten Estos sistemas necesitan dispositivos de seguimiento del Sol a lo largo de su trayectoria diaria

Tipos de centrales termosolares


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APLICACIONES DE LA ENERGIacuteA SOLAR TEacuteRMICA La energiacutea solar puede aplicarse a una gran vashyriedad de usos teacutermicos incluyendo el agua cashyliente sanitaria la calefaccioacuten de interiores o el secado Tambieacuten se estaacuten desarrollando nuevas aacutereas de aplicacioacuten de las cuales quizaacutes la maacutes interesante resulte la climatizacioacuten solar

AGUA CALIENTE SANITARIA DOMEacuteSTICA Actualmente es sin duda la aplicacioacuten maacutes

extendida de la energiacutea solar Los sistemas estaacuten disentildeados para cubrir el 100 de la demanda de agua caliente durante el verano y el 50-80 del total a lo largo del antildeoPara esta aplicacioacuten se utishylizan sistemas de circulacioacuten forzada o termosifoshynes (maacutes extendidos en el sur de Europa) que generalmente cuentan con un calentador conshyvencional de apoyo para cubrir las necesidades cuando el sistema solar no puede hacerlo Los termosifones utilizados para el agua caliente sanishytaria de una vivienda unifamiliar tipo tienen un colector de 2-5 m2 y un depoacutesito de 100-200 lishytros y los sistemas con circulacioacuten forzada cuenshytan generalmente con un colector de 3 a 6 m2 y un acumulador de 150-400 litros Pero tambieacuten existen instalaciones grandes que dan servicio a edificios plurifamiliares bloques de apartamenshytos hoteles o edificios de oficinas En estos siste-

Los colectores solares comienzan a formar parte del paisaje Si antes de construir cualquier edificio se

pensara en aprovechar la energiacutea solar la integracioacuten arquitectoacutenica ganariacutea muchos enteros

mas la superficie de colectores puede variar desshyde los 10 hasta los centenares de m2

SISTEMAS COMBINADOS DE ACS Y CALEFACCIOacuteN En Europa Central y del Norte resulta coshy

muacuten instalar sistemas solares teacutermicos para cushybrir la demanda de calefaccioacuten ademaacutes de la de agua caliente sanitaria En este caso la superficie de colectores estaacute entre los 7 y los 20 m2 y la cashypacidad del acumulador entre los 300 y los 2000 litros Estos sistemas son maacutes complejos que los que se utilizan soacutelo para el agua caliente sanitaria

REFRIGERACIOacuteN SOLAR Hace cientos de antildeos se fabricaba hielo en

los desiertos de Persia Ello se conseguiacutea en balshysas rodeadas de paredes que las protegiacutean de la luz solar y aprovechando la diferencia de tempeshyratura entre el diacutea y la noche de invierno El hielo asiacute obtenido se guardaba en depoacutesitos bajo tierra para ser utilizado en verano

Para la refrigeracioacuten solar se utilizan sistemas que acoplan el colector solar-depoacutesito de almashycenamiento de calor a un ciclo de absorcioacuten que extrae calor de un depoacutesito friacuteo El ciclo de abshysorcioacuten se consigue utilizando mezclas absorbenshytes-refrigerantes (agua amoniaco bromuro de lishytio agua) En ellas el calor solar se usa para

Los colectores de tubos de vaciacuteo alcanzan temperaturas maacutes elevadas que los planos por lo que ademaacutes de servir para disponer de agua calienta sanitaria pueden proporcionar calefaccioacuten y refrigeracioacuten solar

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vaporizar parte del agua de la mezcla (se requieshyren pues temperaturas de trabajo superiores a

mente esparciendo el grano para exponerlo al Sol y al aireTambieacuten el secado de madera y de pescashy

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los 100ordmC)El vapor se condensa mediante un reshyfrigerante luego se expansiona hasta volver a la fase de vapor (por tanto extrae calor de la zona a ser refrigerada) y es devuelto a la unidad de abshysorcioacuten

SECADO SOLAR Son de una gran utilidad en paiacuteses donde no

se dispone de otras formas de energiacutea para la conservacioacuten de alimentos El secado solar de las cosechas se ha utilizado durante siglos simple-

do se puede realizar mediante sistemas solares

CALEFACCIOacuteN SOLAR POR AIRE Estos sistemas utilizan el principio de succioacuten

del aire a traveacutes de un colector solar perforado que puede servir al mismo tiempo de pared de un edificio Estos sistemas son muy adecuados en edificios industriales con gran demanda de ventishylacioacuten Existen sistemas muy simples y efectivos de calefaccioacuten solar por aire en el mercado

DESALINIZACIOacuteN SOLAR La escasez de agua potable se da muchas ve-

Los colectores planos son la aplicacioacuten solar maacutes extendida y se utilizan fundamentalmente para obtener agua caliente sanitaria Funcionan con sistemas de circulacioacuten forzada o con termosifones y la instalacioacuten admite todo tipo de tamantildeoscopy

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ces en aacutereas con un alto iacutendice de radiacioacuten soshy

12

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dacioacuten

Terra

lar o donde el precio de las fuentes de energiacuteas convencionales son muy altos La destilacioacuten soshylar de agua (ya sea agua de mar ya sea agua imshypura procedente de pozos) se realiza por medio de un alambique solar

COCINAS SOLARES Estos simples artefactos permiten el cocinashy

do de alimentos y la pasteurizacioacuten de agua en pocas horas haciendo posible que en muchos lushygares del mundo se ahorren cantidades consideshyrables de lentildea para cocinar ademaacutes de reducir el riesgo de enfermedades ocasionadas por la conshytaminacioacuten fecal de las aguas Una cocina solar en

combinacioacuten con una cesta aislante puede ahoshyrrar aproximadamente 5 m3 (2250 kg) de lentildea por antildeo durante unos 10 antildeos (un equipo de coshycina solar cuesta alrededor de 120 euros)

SOLAR TEacuteRMICA DE ALTA TEMPERATURA La radiacioacuten solar puede ser utilizada para la geshyneracioacuten de electricidad mediante un proceso de dos etapas primero convirtieacutendola en calor y luego convirtiendo el calor en electricidad por medio de ciclos termodinaacutemicos convencionashyles (utilizando colectores solares de concentrashycioacuten o campos de helioacutestatos que focalizan en un punto) o mediante generadores termoioacutenishycos o termoeleacutectricos

Las centrales teacutermicas solares se basan en esshypejos que concentran los rayos solares con la fishynalidad de calentamiento de un fluido que conshyvertido en vapor accionaraacute una turbina que a su vez impulsaraacute un generador eleacutectricoSe han desshyarrollado tres variantes de este principio las censhytrales de torre los discos paraboacutelicos y los cilinshydros paraboacutelicos Las dos primeras son sistemas concentradores de foco puntual y la tercera es un sistema concentrador de foco lineal En Espashyntildea existen maacutes de 1000 MW de proyectos coshymerciales de energiacutea solar termoeleacutectrica que abarcan todas las tecnologiacuteas y que tienen detraacutes a grandes corporaciones industriales

CENTRALES SOLARES DE TORRE Las centrales solares de torre constan de

centenares o miles de espejos planos (helioacutestashytos) que concentran la luz solar en un punto de la torre donde se situacutea una caldera para calentar el fluido (agua aire metal liacutequido o sal fundida) que acciona la turbina mediante un ciclo de va-por En la actualidad se estaacuten investigado sistemas avanzados que calientan aire a presioacuten para inshyyectarlo en un turbina de gas de ciclo combinado

La tecnologiacutea de las centrales solares de toshyrre se empezoacute a aplicar a principios de los antildeos 80 Las primeras centrales solares experimentashycopy

Pep Pu

ig


13 A la derecha planta de Meadi (Egipto) construida en 1912 por Frank Shuman y CV Boys para el bombeo de agua con vapor Es la primera gran central solar de la historia y utilizaba espejos cilindro-paraboacutelicos con una superficie total de captacioacuten de 1200 m

les de estas caracteriacutesticas se construyeron en 1981 en Espantildea Japoacuten e Italia En 2006 se inaushyguroacute en el municipio sevillano de Sanluacutecar la Mayor la PS10 la primera planta comercial con torre central del mundo con una potencia de 11 MW Su produccioacuten puede abastecer las neshycesidades eleacutectricas de 6000 hogares

LOS DISCOS PARABOacuteLICOS Los discos paraboacutelicos pueden ser usados de

forma individual para el accionamiento de un motor teacutermico situado en su foco o bien pueden ser utilizados colectivamente formando agrupashyciones para el accionamiento de un motor teacutershymico o turbina central

Fue A Mouchot quien en el antildeo 1860 inicioacute en Tours sus investigaciones para aprovechar la energiacutea solar para accionar una maacutequina de vashyporEntre sus experimentos consiguioacute convertir vino en contildeac mediante la destilacioacuten solarYa en el antildeo 1874 construyoacute su primer motor soshylar que consistiacutea en un dispositivo concentrador coacutenico con una caldera situada a lo largo del eje del cono Era un dispositivo que seguiacutea al Sol y era capaz de generar el vapor necesario para accionar un motor de 05 HP Fue expuesto en la Exposicioacuten Universal de Pariacutes del antildeo 1878 Posteriormente en el antildeo 1880 un ayudante sushyyo expuso este tipo de artefactos solares en los jardines de las Tuilleries Uno de ellos accionaba

una maacutequina de vapor que a su vez accionaba una rotativa donde se imprimieron 500 ejemshyplares del ldquoJournal Soleilrdquo

En la Plataforma Solar de Almeriacutea se han desshyarrollado diversos prototipos de concentradores disco-paraboacutelicos y se han instalado varios proshytotipos del denominado SunDish en Estados Unishydos Se basa en un dispositivo de concentracioacuten consistente en una estructura en forma de disco que soporta 16 discos que concentran los rayos del Sol en un foco donde estaacute dispuesto un moshytor Stirling (55 kWe) que puede funcionar conshycentrando los rayos del Sol o en combinacioacuten con cualquier tipo de combustible

Pero quizaacutes la realizacioacuten maacutes importante con esta tecnologiacutea son las famosas cocinas soshylares que la Asociacioacuten Brahma Kumaris tiene en funcionamiento en sus centros de formacioacuten en Mont Abu (Rajastan India) La primera de ellas se instaloacute en Gyan Sarovar (Academy for a Better World) en el antildeo 1996 y tiene capacidad para cocinar 1000 comidasdiacutea (24 discos parashyboacutelicos con una superficie de captacioacuten de 190 m2) En enero de 1998 se empezoacute la construcshycioacuten de la cocina solar maacutes grande del mundo 84 espejos concentradores para la produccioacuten directa de vapor que alimenta una cocina que actualmente es capaz de servir 33800 comidas al diacutea

total de to alcanzal inicio bajos pr

El intantildeos 70 yleoTantoUnidos cnologiacutea asolares cvapor y pcia Internun sistem


que se dirige hacia la zona de generacioacuten donde se calienta agua hasta producir vapor para el acshycionamiento de una turbina El desarrollo de los sistemas de captacioacuten solar a base de espejos en forma cilindro-paraboacutelica se remonta a los antildeos

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La Plataforma Solar de Almeriacutea (arriba) gestionada por

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el CIEMAT es uno de los centros de investigacioacuten en energiacutea solar maacutes importantes del mundo Sus avances han posibilitado la puesta en marcha de plantas como la PS10 (a la derecha) que se ha construido en Sevilla

Las cocinas solares de Mont Abu se construshyyeron a partir de la experiencia acumulada por Seifert cuyas cocinas se comercializan en Espantildea a traveacutes de la Fundacioacute Terra

LOS CILINDROS PARABOacuteLICOS Concentran la luz solar sobre un eje por

donde circula un fluido (generalmente aceite)

1880 cuando John Ericsson construyoacute un sisteshyma de espejos cilindro-paraboacutelicos para alimenshytar un motor de aire caliente Pero no fue hasta 1912 cuando este tipo de espejos se utilizaron de forma significativa para la generacioacuten de energiacutea Fueron Frank Shuman y CV Boys quieshynes construyeron una planta para el bombeo de agua con vapor en Meadi (Egipto) utilizando esshypejos cilindro-paraboacutelicos con una superficie

Campo de heliostatos

Receptor

Almacenamiento teacutermico

Soplante 1 Soplante 2

Generador de vapor

Bloque de potencia Aire

friacuteo 110ordm

Airecaliente 680ordm

Vapor 65 bar 460ordm

Condensado 1 bar 50ordm

Esquema de funcionamiento de la planta PS10 Fuente Solucar

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total de captacioacuten de 1200 m2A pesar del eacutexishy base de captacioacuten solar mediante espejos cilindroshy

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to alcanzado la planta se cerroacute en 1915 debido al inicio de la Primera Guerra Mundial y a los bajos precios del petroacuteleo

El intereacutes en esta tecnologiacutea renacioacute entre los antildeos 70 y 80 como respuesta a la crisis del petroacuteshyleoTanto el Departamento de Energiacutea de Estados Unidos como el Ministerio de Investigacioacuten y Tecshynologiacutea alemaacuten desarrollaron diversos prototipos solares cilindro-paraboacutelicos para la produccioacuten de vapor y para el bombeo de agua En 1981 la Agenshycia Internacional de la Energiacutea construyoacute y proboacute un sistema para la produccioacuten de electricidad a

paraboacutelicos de 500 kW de potencia en la Platashyforma Solar de Almeriacutea (Tabernas)

Basaacutendose en la tecnologiacutea de espejos cilinshydros-paraboacutelicos una pequentildea empresa Luz Inshyternational Ltd consiguioacute producir electricidad solar para cubrir las necesidades de miles de hashybitantes de California (900 GWhantildeo) y a un coste del kWh producido inferior al generado por las centrales nucleares en funcionamiento entonces en California Asiacute Luz consiguioacute que una de las grandes empresas eleacutectricas de Calishyfornia (South California Edison) negociara un

Caracteriacutesticas de las centrales solares termoeleacutectricas CILINDRO RECEPTOR DISCOS

PARABOLICOS CENTRAL PARABOacuteLICOS

Potencia 30-80 MW 10-200 MW 5-25 kW Temperatura operacioacuten 400degC 565degC 750degC Factor capacidad anual 23-50 20-77 25 Eficiencia pico 20 23 30 Eficiencia neta anual 14 7-20 11-25

Estado comercial Disponible Disponible Prototipos-demostracioacuten Riesgo tecnoloacutegico Bajo Medio Alto Almacenamiento Siacute Siacute Bateriacuteas Disentildeos hiacutebridos Siacute Siacute Siacute Coste W

instalado (euros) 349-234 383-216 1100-114

res siguemica ndashumientrasmismo qotro 24

El ejeel Ayuntaunque nta un antildeenergiacutea miento pndashBarceloVE)ndash y d(entre lonumerosen el res

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contrato para la compra de electricidad de orishy

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gen solar durante 30 antildeos Estas centrales podiacuteshyan funcionar en modo solar o en combinacioacuten con gas natural asegurando de esta forma su disshyponibilidad independientemente de las condicioshynes climatoloacutegicaso del ciclo diacutea-nocheLas censhytrales estaacuten en el desierto de Mojave y hoy continuacutean en funcionamiento con 354 MW de potencia instalada Pero muy pronto seraacuten maacutes ndashen este caso con tecnologiacutea de torrendash porque la eleacutectrica estadounidense Pacific Gas amp Electric Company ha suscrito una serie de contratos pashyra la compra de energiacutea generada en tres censhytrales solares termoeleacutectricas que sumaraacuten 500 MW en total y que construiraacute el promotor solar BrightSource Energy Ademaacutes estaacute abierta una opcioacuten para 400 MW adicionales

La integracioacuten arquitectoacutenica de los colectores teacutermicos puede transformar toda la fachada de un edificio en un gran captador de la energiacutea del sol

En Espantildea en la Plataforma Solar de Almeshyriacutea se estaacute investigando con todas las tecnologiacuteshyas termosolares En 2007 se estrenoacute la uacuteltima una central de demostracioacuten de 1 MW de poshytencia con tecnologiacutea Fresnel que utiliza espeshyjos planos moacuteviles en lugar de ciliacutendricos Pero ya estaacuten en marcha numerosos proyectos coshymerciales en nuestro paiacutesAdemaacutes de la PS10 la central de torre que estaacute en operacioacuten desde 2006 hay otras plantas que entraraacuten en funcioshynamiento en 2008 Andasol I en Granada de 50 MW y tecnologiacutea cilindro paraboacutelica PS 20 en Sevilla de 20 MW con torre central o la cilindro paraboacutelica de 50 MW de Iberdrola en Puertollashyno (Ciudad Real)Y cada diacutea surgen nuevos pro-yectosTodos ellos con importantes retos tecshynoloacutegicos por delante como el almacenamiento de calor o la hibridacioacuten con biomasa o gas nashytural

LA SITUACIOacuteN DE LA ENERGIacuteA SOLAR TEacuteRMICA EN ESPANtildeA A lo largo del antildeo 2007 se instalaron en Espantildea 250000 m2 nuevos de superficie solar teacutermica seguacuten datos de la Asociacioacuten Solar de la Indusshytria Teacutermica (ASIT) Se estima que actualmente hay instalados 1220000 m2 (854 MWt en poshytencia equivalente) una cifra auacuten muy alejada del objetivo fijado en el Plan de Energiacuteas Renovashybles 4900000 m2 en el antildeo 2010

Seguacuten ASIT 95000 m2 fueron instalados grashycias a programas de fomento y diferentes ayushydas de las comunidades autoacutenomas mientras que los 155000 m2 restantes vinieron de la mashyno de las ordenanzas solares y del Coacutedigo Teacutecshynico de la Edificacioacuten (CTE) en vigor desde ocshytubre de 2006 que exige que todos los edificios de nueva construccioacuten y rehabilitacioacuten cuenten con instalaciones de energiacutea solar teacutermica para la produccioacuten de agua caliente sanitaria El secshytor cree que las expectativas creadas por el CTE han defraudado y que las ordenanzas solashy


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res siguen siendo la locomotora de la solar teacutershymica ndashun 40 del total instalado en 2007ndash mientras que el CTE supone un 28 Casi lo mismo que las ayudas de las CCAA que suman otro 24

El ejemplo de ordenanza solar adoptada por el Ayuntamiento de Barcelona (en julio 1999 aunque no seriacutea de obligado cumplimiento hasshyta un antildeo despueacutes) supuso un despertar en la energiacutea solar teacutermica en Espantildea Este acontecishymiento pionero fruto del trabajo de BarnaGEL ndashBarcelona Grup de Energiacutea Local (Agencia SAshyVE)ndash y de la Concejaliacutea de Ciudad Sostenible (entre los antildeos 1995 y 1999) fue emulado por numerosos municipios tanto en Cataluntildea como en el resto de Espantildea

LA ENERGIacuteA SOLAR TEacuteRMICA EN EL MUNDO Se calcula que en la Unioacuten Europea habiacutea instashylados 20 millones de m2 de captadores solares (14280 MWt) a finales de 2006 algo que no hashybriacutea sido posible sin el empuje solar de paiacuteses como Alemania Grecia y Austria El caso de Aleshymania es ejemplar De los 3 millones de m2 nueshyvos que se instalaron en 2006 en la Europa de los 25 la mitad se hicieron en Alemania No meshynos espectacular resulta el caso de Chipre este paiacutes es el que maacutes cantidad de energiacutea solar teacutershymica aporta por habitante en el mundo con 350 kWt por cada 1000 habitantes Maacutes del 90 de los edificios construidos en Chipre estaacuten equishypados con captadores solares teacutermicos En cuanto a Grecia en los uacuteltimos antildeos se instalan maacutes de 200000 m2 anuales Hoy totalizan unos

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Con las ayudas y subvenciones actuales el periodo de amortizacioacuten de una instalacioacuten solar teacutermica puede ser inferior a diez antildeos menos de la mitad de la vida media de este tipo de sistemas

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35 millones Con un 17 de la superficie instashylada en la UE el paiacutes heleno dispone de un tejishydo solar que abastece de agua caliente a uno de cada cuatro habitantes

En otras partes del mundo tambieacuten hay bueshynos ejemplos del desarrollo de la energiacutea solar teacutermica Por ejemplo Israel donde alrededor del 85 de las viviendas estaacuten equipadas con colectoshyres solares teacutermicos como resultado de una ley de hace 25 antildeos En Turquiacutea hay unos 10 millones

Nuevo parque instalado en 2007 en Espantildea

Fuente ASIT

de metros cuadrados y en China el paiacutes con maacutes superficie de captadores solares instalados78 mishyllones lo que supone aproximadamente el 40 de todos los instalados en el mundo Hoy maacutes de10 millones de familias chinas disponen de agua cashyliente gracias al sol

BENEFICIOS DE LA ENERGIacuteA SOLAR TEacuteRMICA Un anaacutelisis de los recursos energeacuteticos empleashydos para el calentamiento del agua en 10 paiacuteses europeos revela que teniendo en cuenta los reshycursos que se utilizan actualmente y suponienshydo que el promedio de produccioacuten de calor de un sistema solar teacutermico es de 500 kWhantildeo15 millones de m2 de paneles solares teacutermicos (la UE ya tiene 20 millones) produciriacutean 119 Mtep anuales y el ahorro de emisiones de CO2 seriacutea de 3 millones de toneladas anuales contribushyyendo en un 06 a los objetivos de reduccioacuten del Protocolo de Kioto para la Unioacuten Europea

El beneficio econoacutemico de la energiacutea solar teacutermica consiste en la sustitucioacuten de una cantishydad considerable de combustibles tradicionales reduciendo y haciendo maacutes predecibles en conshysecuencia los costes futuros Los materiales el disentildeo y la instalacioacuten suman praacutecticamente la totalidad de los costes de un sistema solar pues no requiere ninguacuten combustible para su funcioshy

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Asociacioacuten Solar de la Industria Teacutermica wwwasit-solarcom

Cocinas solares httpsolarcookingorg

Plataforma Solar de Almeriacutea wwwpsaes

Fundacioacute Terra wwwterraorg

Federacioacuten de la Industria Solar Teacutermica Europea

wwwestiforg Protermosolar

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Maacutes informacioacuten

ldquoEnergiacuteas Renovables para todosrdquo es una coleccioacuten elaborada por Haya Comunicacioacuten editora de la revista ldquoEnergiacuteas Renovablesrdquo

wwwenergias-renovablescom con el patrocinio de Iberdrola Renovables

Direccioacuten de la coleccioacuten Luis Merino Pepa Mosquera

Disentildeo y maquetacioacuten Fernando de MiguelJudit Gonzaacutelez

Redaccioacuten de este cuaderno Pep Puig Marta Jofra

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namiento y los costes de mantenimiento son muy bajos al contrario de los sistemas convenshycionales de calentamiento

Con los actuales precios de los combustishybles tradicionales el periodo de amortizacioacuten de una instalacioacuten solar puede ser tan soacutelo de 5 a 10 antildeos menos que la vida media de una insshytalacioacuten (20-25 antildeos)Y no parece que los comshybustibles foacutesiles vayan a abaratarse

Sin embargo el hecho de que la inversioacuten inicial requerida para instalar un sistema solar teacutermico sea relativamente elevada supone una barrera para su expansioacuten a gran escala y es sin duda un obstaacuteculo psicoloacutegico y financiero (mushycha gente tiende a descontar irracionalmente los costes futuros mientras que las inversiones presentes tienden a sobrevalorarse)

Para superar esta barrera muchos gobiershynos nacionales regionales y locales ofrecen inshycentivos econoacutemicos para la instalacioacuten de sisshytemas solares teacutermicos Hasta ahora estos incentivos han resultado claves para la implantashycioacuten de la energiacutea solar teacutermica sin embargo la experiencia demuestra que tras superar una bashyrrera criacutetica en el nuacutemero de instalaciones el mercado puede sostenerse por siacute solo sin la neshycesidad de incentivos

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Energiacutea Solar Teacutermica

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EL SOL La radiacioacuten solar tiene su origen en el Soluna de las maacutes de 135000 millones de estrellas de la Viacutea LaacutecteaEl Sol es un inmenso reactor de fusioacuten tershymonuclear que quema cada segundo 600000000 toneladas de hidroacutegeno a 20 millones de grados Kelvin irradiando una cantidad de energiacutea equivashylente a 37x1023 kW lo que representa 64070 kW por m2 de superficie solar

El Sol estaacute localizado a una distancia media de 150 millones de kiloacutemetros respecto de la Tierra distancia conocida como unidad astronoacutemica (UA) y tiene una vida estimada de varios miles de millones de antildeos por lo cual tenemos asegurado

su funcionamiento seguro y sin ninguacuten gasto de inversioacuten ni mantenimiento

LA RELACIOacuteN ENTRE EL SOL Y LA TIERRA Cualquier persona que quiera aprovechar la energiacutea solar debe ser capaz de responder a la pregunta de queacute cantidad de energiacutea llega al lugar donde preveacute realizar la captacioacuten cada hora cada mes cada antildeo o en promedio (horario mensual anual) Para ello es necesario comprender el moshyvimiento relativo de la Tierra y el Sol La Tierra gishyra alrededor del Sol describiendo una oacuterbita eliacutepshytica Al mismo tiempo la Tierra gira sobre ella misma alrededor de un eje tardando un diacutea en hacer este giro

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cia de

Energiacutea

de Ba

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ISBN de933448-0-X

cuadernillo

legal


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Migu

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Receptor



Generador de vapor


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