CAPITULO 8 LA ENERGIA SOLAR

8.1.- El Sol como fuente de energía.

El sol envía a la tierra una energía seis mil veces superior a la que consumimos. En la actualidad aprovechamos muy poco esa energía solar. Hay que tener en cuenta que un panel solar fotovoltaico produce una energía que es veinte veces superior a la que se empleo en su fabricación. Pero pronto se duplicara esa cifra gracias a los avances tecnológicos.

El Sol es una estrella que emite luz y calor. Es la única estrella del sistema solar, donde está situada la Tierra junto con otros planetas.El Sol es una bola incandescente con un radio de unos 695.000 kilómetros (la tierra tiene un radio de 6.378 kilómetros) y con un periodo de rotación sobre su eje de 25 a 36 días (la tierra da un giro completo sobre su eje en 1 día).Si consideramos 1 la masa de la Tierra, el Sol tiene una masa de 332.830 veces la de la Tierra. En cuanto a volumen es 1.300.000 veces más voluminoso que la Tierra. Esa masa incandescente de plasma tiene una temperatura superficial de unos 6.000 °C. La Tierra tiene una temperatura superficial media de 10-20 °C.La temperatura en el centro del sol es unos 15 millones de grados centígrados, mientras que en la Tierra, la temperatura es su centro es de 5.000 °C.El Sol parece ser que se formo hace unos 4.650 millones de años, y se calcula que desaparecerá dentro de 5.000 millones de años. Es decir que su vida total se estima en algo menos de 10,000 millones de años. Lógicamente, cuando se extinga el sol, también se extinguirá la vida en nuestro planeta.El Sol contiene el 98-99 por ciento de la materia del sistema solar, y es la fuente de calor y luz de todos los planetas de dicho sistema.El sol ejerce una fuerza de atracción sobre los objetos del sistema solar, que giran a su alrededor (como la Tierra, que tarda 365 días en dar una vuelta completa). Si la gravedad a la que están sujetos los objetos sobre la superficie de la tierra es de 9,78 m/s ², en la superficie solar la fuerza de la gravedad es de 274 m/s². Es decir que la fuerza de gravedad en la superficie solar es 28 veces mayor que la que existe en la tierra.El Sistema Solar esta dentro de la galaxia denominada “Vía Láctea”.A su vez el Sol y todo el Sistema Solar (incluida la Tierra) giran alrededor del centro de la Vía Láctea, dando una vuelta completa cada 200 millones de años.Como se ha podido observar por las fotos tomadas del Sol, tiene una apariencia turbulenta en la corteza, debido a las reacciones térmicas y erupciones que tienen lugar en su superficie.Los protones del núcleo de hidrogeno se liberan fusionándose mas tarde en grupos de cuatro, para formar partículas Alfa, que tienen menos masa que los cuatro neutrones citados, por lo que la masa restante se transforma en una gran cantidad de energía. Esa energía, por convección, va desplazándose hacia la periferia del sol, donde se libera en forma de calor y luz, que llegan hasta nuestro planeta y hacen posible de vida.Otros datos de interés sobre el sol:

La energía generada en el centro del sol tarda en llegar a su superficie un millón de años.

Cada segundo, 700 millones de toneladas de hidrogeno se convierten en helio. Cada segundo, como consecuencia del proceso anterior, se producen en el sol 5 millones de

toneladas de energía pura. El Sol tiene un volumen de 1.300.000 veces superior al de la Tierra. El radio del Sol es 110 veces más largo que el de la Tierra. El Sol nació hace unos 4.650 millones de años. Le quedan de vida unos 5.000 millones de años.

Al final de la vida del Sol (dentro de unos 5.000 millones de años), todo el hidrogeno ya se habrá convertido en helio y, estos átomos de helio se fundirán dando lugar a elementos más pesados, por lo que el Sol aumentara de volumen, hasta tal punto que alcanzara a la Tierra y se la tragará.Las radiaciones solares podrían suministrar toda la energía que necesitan las naciones del mundo.Su aprovechamiento depende mucho de los programas de investigación de países como Japón, Alemania, USA, España, etc.Estructura del sol

La sección del Sol, con sus diferentes zonas, según distancia al centro. En primer lugar hay una estructura interna (núcleo) que incluye al centro (15 millones de grados centígrados), una zona radiactiva y una zona de convección.Después hay una zona de flujo, y por ultimo tenemos:

Fotosfera. Zona tumultuosa de salida de la energía del sol hacia su periferia. Las manchas o depresiones negras que aparecen en el Sol están en la fotosfera y tienen una temperatura baja (4.000 °C).

Cromosfera. Aquí tienen lugar erupciones y destellos (nubes de hidrogeno luminosas y brillantes), que se originan en los lugares donde más tarde aparecen manchas solares.

Corona. Es la más exterior de las capas, ya que es la atmosfera que rodea al Sol. Es donde aparecen las prominencias, que son enormes nubes de gases procedentes de las erupciones de la cromosfera.

La siguiente Tabla nos da la composición del Sol, que como vemos es sobre todo hidrogeno y helio, con la presencia de carbono, oxigeno, nitrógeno, etc.

Composición del Sol.

Elemento Porcentaje presente (%)Hidrogeno (el elemento más abundante en el Sol) 92,1Helio 7,8Oxigeno 0,061Carbono 0,030Nitrógeno 0,0084Neón 0,0076Hierro 0,0037Silicio 0,0031Magnesio 0,0024Azufre 0,0015Otros elementos 0,0015

8.2- Instalaciones para el aprovechamiento de la energía solar

Los gases que hay en la atmosfera terrestre retienen el 47 por ciento de la energía que llega hasta la superficie de la tierra. A pesar de ello, llegan hasta nosotros 0,7 millones de kwh, que es una energía 4.000-7.000 veces superior a la que consumimos diariamente los humanos. En países como España, Italia, México, Turquía, sur de USA, etc., se estima que la incidencia de energía solar es de 1.500 – 1.800 KWh/m² de media, que es una cifra bastante alta en comparación con los países situados más al norte.

El sol es una fuente de energía limpia e inagotable, que puede proporcionarnos energía si sabemos captarla. Por ejemplo:

El viento es producto de la energía solar y mediante aerogeneradores (modernos molinos de viento) podemos obtener electricidad.

Las olas y las mareas son también producto de la energía solar y podemos obtener energía a partir de ellas.

Además de esas posibilidades, se han desarrollado modernas instalaciones para conseguir captar la energía del sol de varias formas:

Instalaciones solares térmicas. Con ellas se consigue captar el calor del sol y emplearlo para calefacción de casas y edificios, calentamiento de agua para necesidades industriales y necesidades domesticas tales como duchas, piscinas, etc. Para ahorrar energía, es muy importante que todas las casas y edificios incorporen instalaciones solares térmicas, ya que el 75-80 por ciento del consumo energético de una vivienda o edificio se va en la calefacción y el calentamiento de agua.

Instalaciones solares fotovoltaicas. Con ellas se consigue captar la luz del sol y convertirla directamente en electricidad, que se puede emplear en las mismas aplicaciones que tiene en la actualidad.

Instalaciones solares termoeléctricas. Son una combinación de las dos anteriores, ya que a partir de la energía recibida del sol, producen calor y electricidad.

8.3.-Definicion y componentes de una instalación solar térmica.

Una instalación solar térmica es un conjunto de aparatos, tuberías, depósitos, equipos de control, etc., cuya misión es recibir las radiaciones solares y aprovechar su energía calorífica que se emplea para calentar agua, en la calefacción, piscinas climatizadas, etc. Este tipo de instalaciones se puede suplementar con una caldera o calentador que funcione cuando no se dispone de energía solar.La transformación básica de la energía del sol en calor se realiza en los paneles solares.En la siguiente figura vemos de izquierda a derecha: panel solar, intercambiador de calor, bombas, depósito regulador. Válvulas, intercambiador de calor, depósitos auxiliares, equipos de control, etc.

Instalaciones solar térmica con caldera auxiliar. De esta forma tendremos un suministro energético en el caso de que falle el sistema solar.

El Código Técnico de la Edificación que se puso en vigor en España nos puede servir para el estudio de las instalaciones solares térmicas que se colocan en edificios y viviendas para obtener calor útil. Dicho código enumera los componentes de una instalación solar térmica, que son:

Un sistema de captación formado por los paneles solares encargado de transformar la radiación solar incidente en energía térmica de forma que se calienta el fluido de trabajo que circula por los citados paneles.

Un sistema de acumulación constituido por uno o varios depósitos que almacenan el agua caliente hasta que se precisa su uso.

Un circuito hidráulico constituido por tuberías, bombas, válvulas, etc., que se encarga de estableces el movimiento del fluido caliente hacia el sistema de acumulación.

Un sistema de intercambio que realiza la transferencia de la energía térmica captada, desde el circulo de captadores (circuito primario), al agua para su calentamiento.

Sistema de regulación y control que se encarga por un lado de asegurar el correcto funcionamiento del equipo para proporcionar la máxima energía térmica posible y, por otro lado actúa como protección frente a la acción de múltiples factores tales como sobrecalentamientos del sistema, riesgos de congelaciones, etc.

Adicionalmente, se dispone de un equipo de energía convencional auxiliar (caldera, termo) que se utiliza para completar la contribución solar, suministrando la energía necesaria para cubrir la demanda prevista, garantizando la continuidad del suministro de agua caliente en los casos de escasa radiación solar o demanda superior a la prevista.

8.4.-Colectores solares térmicos

Básicamente un colector (también llamado panel) solar es una estructura especial que es capaz de absorber la radiación solar transformándola en calor. Ese calor se cede a un fluido (agua, aire, fluidos especiales) que se calienta. Ese fluido caliente se puede emplear después en calentar una vivienda o edificio, en calentar agua para las necesidades de una vivienda (duchas, lavados, piscina, etc.).El colector solar térmico de la siguiente figura, es de tipo plano, que es el más utilizado en la actualidad. Esta en continua evolución, mejorando su rendimiento y disminuyendo su costo, lo que es esencial para que este tipo de instalaciones se vaya generalizando.

Componentes de un panel solar térmico.

Como se aprecia el panel es una estructura compuesta de:

Cubierta de crista de seguridad y protección. Esta cubierta de cristal debe dejar pasar las radiaciones solares.

Absorbedor de aluminio de la energía solar. Este es un elemento básico del panel, ya que es el que absorbe las radiaciones solares, sin apenas reflexión, con lo que se calienta, calentando a su vez al aire en circulación por los tubos del panel.

Tubos del panel por donde circula el fluido portador del calor. Lamina de separación. Aislamiento de fibra de vidrio en la parte inferior del panel. Carcasa del panel de acero laminado (galvanizado en caliente). Marco de ensamblaje.

Los fabricantes de paneles solares informan en sus catálogos sobre la superficie necesaria de paneles solares para calentar una vivienda. Por ejemplo, para un área habitable de 60 metros cuadrados se puede utilizar una superficie de paneles de 6 metros cuadrados, ya que de esta forma, se consigue un buen calentamiento y una buena ventilación.

8.5.- Funcionamiento de las Instalaciones solares térmicas

Los componentes principales son:

Paneles (también llamados colectores) solares. Acumuladores solares (depósitos). Bomba de circulación. Equipos de regulación y control. Sistemas energéticos auxiliares (para producir calor cuando no tenemos sol). Equipos auxiliares (tuberías, válvulas, manómetro, vaso de expansión, etc.).

Los paneles llevan una capa absorbente donde se transforman las radiaciones solares en calor. En el interior de los colectores se pueden alcanzar temperaturas altas (más de 200 °C), por lo que es importante que estén bien aislados térmicamente, sobre todo en las zonas laterales y en la cubierta trasera. Este calor se transfiere al fluido que circula por ellos. Es un fluido parecido al anticongelante de los coches, ya que puede resistir temperaturas bajas, en caso de heladas, nevadas, etc. Mediante una bomba se envía el fluido caliente al depósito o acumulador. Esta bomba lleva un sistema de control de forma que se pone en marcha cuando la temperatura del panel sea más alta que la del acumulador (de esta forma comienza el aporte de calor). En el depósito (llamado también acumulador o deposito-acumulador), el fluido caliente impulsado por la bomba circula por unas tuberías circulares y calienta el agua que contiene dicho depósito. El fluido calefactor que ha cedido el calor al agua, vuelve al panel para reiniciar el ciclo.

Instalación solar térmica en una vivienda.

La instalación lleva una caldera (sistema auxiliar). Cuando hay poco sol y no puede funcionar la instalación solar térmica, esta caldera se encarga de suministrar el agua caliente necesaria.En muchas ocasiones, no coincide la producción solar de calor con la demanda, por lo que el depósito acumulador es muy importante para disponer de agua caliente o calefacción en todo momento. En cada caso debe estudiarse la capacidad del depósito que se ajuste a las necesidades. Hay por ello tres tipos de acumuladores: los de agua caliente para lavados, cocinas, duchas, etc. Los de inercia para calefacción y los combinados que tienen tanto el agua para la calefacción como para duchas, lavados, etc.

8.6.- Clasificación de los paneles solares térmicosSe pueden clasificar de varias formas. Por ejemplo, según el fluido portador del calor que circula por su interior. Así tenemos:

Captadores solares de agua, que es la que circula directamente por los tubos, sin ningún aditivo.

Captadores solares de aire, cuando es el aire movido por un ventilador, el que circula por los tubos del panel.

Captadores solares de agua con aditivos (anticongelantes por ejemplo, solución de agua con glicol), como es el caso del anticongelante que se utiliza en los automóviles. Es una forma de evitar que el fluido que circula por los tubos se congele en invierno como consecuencia de las bajas temperaturas. Los aditivos tienen la capacidad de bajar la temperatura de solidificación normal del agua (0°C), hasta -18 °C o incluso -37 °C.

También se pueden clasificar los captadores en función de la forma de los tubos que circulan por su interior. Así tenemos:

Captadores con tubos para la circulación del fluido portador del calor, en forma de serpentín. Captadores con tubos para la circulación del fluido portador del calor, en forma recta y vertical

(respecto a la colocación de los paneles).

Pero la clasificación más popular es la siguiente:

Captadores planos. Captadores de tubos de vacío. Captadores solares termodinámicos. Captadores cilíndrico parabólicos para concentración solar. Captadores de discos (disco Stirling) para concentración solar. Torres solares.

8.7.- Paneles solares térmicos planos

En la actualidad, los paneles solares planos son los que más vemos en las instalaciones solares. Representan casi el 90 por ciento del total de paneles térmicos instalados, aunque los otros tipos de paneles (cilindro-parabólicos, de tubos de vacío, de discos) les van acortando distancias.Se suelen emplear estos paneles planos en las aplicaciones normales en edificios y viviendas.

Su rendimiento es alto (70-80 por ciento). Como son los paneles más utilizados, se fabrican en grandes cantidades, por lo que también son los más baratos.Cada elemento del panel cumple una función. La cubierta de cristal templado, también puede ser hecha de materiales plásticos. Su función es proteger al absorbedor de las inclemencias exteriores, reduciendo además las pérdidas de calor. Es decir, hace de efecto invernadero. El absorbedor o placa absorbente, suele estar hecho de metal (cromo, níquel, cobre, acero inoxidable), con un tratamiento superficial para aumentar la capacidad de absorción de las radiaciones solares, incrementando así el rendimiento del panel.

Aislamiento térmico. Para disminuir las pérdidas de calor. La parte trasera de la placa de absorción lleva un aislamiento de tipo plástico (poliuretano, fibra de vidrio), reforzado a veces con una capa de aluminio.

Conductores del fluido portador del calor. Suelen ser de cobre, en forma lineal o de serpentín, por donde circula el fluido portador del calor (aire, agua, solución de agua con glicol). Están en estrecho contacto con la placa de absorción para recibir el calor absorbido y transferirlo al líquido.

Carcasa metálica. Que es la encargada de sujetar todos los elementos del panel.

Aislamiento laterales y sellado con juntas de goma, con objeto de conseguir un mejor rendimiento térmico y evitar pérdidas de calor.

Características del fluido portador de calor. Esta formulado en su totalidad con poli-alcoholes no tóxicos y con aditivos para asegurar una mayor duración a la instalación térmica. Entre sus características destaca:

Es un líquido no corrosivo, tanto desde el punto de vista del desgaste químico como galvánico. Sirve de protección contra microorganismos indeseables. Ayuda a la eliminación de depósitos. Reduce al mínimo el oxigeno ambiental y la formación de burbujas. Se presenta en bidones de 10,25 y 60 litros.

8.8.- Paneles solares térmicos de tubos de vacío.Estos paneles disponen de unos tubos de vidrio transparente. A diferencia del sistema anterior con placa de absorción, en este caso, cada tubo de vidrio lleva en su interior un tubo concéntrico de absorción, de menor diámetro, recubierto de una película selectiva (para mejorar la absorción), por donde circula el fluido portador del calor. Se les llama tubos de vacío, porque al fabricarlo, se extrae el aire contenido entre los dos tubos concéntricos. Al estar “vacio” ese espacio, las pérdidas de calor son menores.La radiación solar atraviesa el tubo exterior transparente de vidrio, e incide sobre el tubo interior de absorción, que se calienta. Este calor es transferido al fluido que circula por dentro de este tubo.Con los paneles de tubos de vacio es posible calentar agua hasta unos 110 °C, por lo que se pueden emplear para calefacción, lavados, piscinas, etc.El rendimiento de los paneles con tubos de vacio es superior al de los que tienen placa de absorción. Debido a ese mayor rendimiento, se utilizan en climas fríos. Su inconveniente es que aun son muy caros.

8.9.-Depositos- acumuladores solaresLos paneles solares trabajan mientras hay radiación solar, pero la demanda de calefacción o agua caliente sanitaria continúa durante la noche o en los momentos nublados. Por ello, hay que tener un depósito para ir guardando el agua caliente para los momentos de demanda. Estos depósitos pueden ser para periodos cortos (unas horas) o para periodos largos (más de un día). A su vez estos depósitos los podemos clasificar como sigue:

Depósitos acumulados de agua caliente (ACS), para duchas, lavados, baños, etc. Su capacidad oscila entre 100 y 400 litros para una vivienda, según el número de ocupantes. Hay que tener en cuenta que el consumo de ACS es de unos 40 litros a 45 °C por personas y día.

Acumuladores de inercia (para la calefacción). Suelen ser de mayor capacidad (700 a 1.000 litros). Acumuladores multiuso (para calefacción y ACS).

El fluido que se calienta en los paneles solares pasa mediante unos serpentines al interior de un depósito para calentar agua que se puede utilizar para calefacción, ducha, lavabos, cocinas, etc.

La anterior nos presenta un depósito acumulador separado del panel, y que se suele poner en el interior de la vivienda en un cuarto especial junto con el resto de los componentes de la instalación (bomba, equipos de control, etc.). Este depósito sirve tanto para agua caliente sanitaria (pequeño deposito superior integrado en el acumulador) como para la calefacción (serpentín de la parte inferior).

Las características de estos depósitos suelen ser las siguientes:

Un buen aislamiento térmico para mantener el agua caliente el mayor tiempo posible. Se puede utilizar cono aislante espuma inyectada de poliuretano de diferentes espesores (50, 80, 100, 120, 150 milímetros, por ejemplo).

Protección contra la corrosión (revestimiento con pinturas anticorrosivas, esmaltes anticorrosivos, etc.).

Uno o dos serpentines interiores por donde circula el fluido portador del calor, procedente de los paneles solares, y cuya misión es calentar el agua que baña los serpentines por cuyo interior circula el citado fluido caloportador.

Según las necesidades de agua caliente y calefacción, el depósito puede ser de distintas capacidades (150, 200, 250, 300, 400, 500 litros, etc).

Como material se suele utilizar mucho el acero inoxidable (resistente a la corrosión). La cara interior del depósito así como la exterior de los serpentines, debe ser de diseño higiénico ya

que estará en contacto con el ACS que se utiliza en ducha, baños, etc., que tiene que ser potable. El depósito debe llevar un sistema de tuberías para el retorno del agua de calefacción (si es el caso)

para aprovechar el calor que aun contiene. Muchos depósitos llevan serpentines con tubos ondulados que ofrecen un mejor rendimiento en el

intercambio térmico. Las temperaturas del agua en el interior del depósito pueden ser muy variables, desde la entrada de

agua fría a 10-20 °C hasta más de 90°C. La temperatura de salida debe ser regulable, según las aplicaciones que vaya a tener. La superficie de intercambio térmico de los serpentines es variable según las necesidades (de 1 a 3

metros cuadrados en la mayoría de los casos).

Demanda de agua caliente sanitaria a la temperatura de referencia de 60°C. Código Técnico de la Edificación. EspañaCriterio de la demanda Litros de ACS/día a 60°CViviendas unifamiliares 30 por personaViviendas multifamiliares 22 por personaHospitales y clínicas 55 por camaHoteles de 4 estrellas 70 por camaHoteles de 3 estrellas 55 por camaHotel/hostal (2 estrellas) 40 por camaCamping 40 por emplazamientoHostal/pensión (1 estrella) 35 por camaResidencia (ancianos estudiantes) 55 por camaVestuarios/Duchas colectivas 15 por servicioEscuelas 3 por alumnoCuarteles 20 por personaFabricas y talleres 15 por personaAdministrativos 3 por persona

Gimnasios 20 a 25 por usuarioLavanderías 3 a 5 por kilo de ropaRestaurantes 5 a 10 por comidaCafeterías 1 por almuerzo

8.10.- Otros componentes de las instalaciones solares térmicas

Hemos estudiado los dos componentes principales de las instalaciones solares térmicas: los paneles solares y el depósito donde se acumula el agua caliente. Pero estas instalaciones tienen otros componentes tales como:

Bomba del circuito solar, encargada de transportar el fluido portador del calor desde el colector al depósito acumulador.

Regulador solar, que pone en marcha la bomba cuando la temperatura en el panel es superior a la del agua en el acumulador, con lo que puede empezar a calentarse agua y enviarla al depósito.

Manómetro para conocer y poder regular la presión del sistema. Válvula mezcladora de agua. Por ejemplo, si tenemos el agua a 60 °C en el depósito y queremos

utilizarla para la ducha, hay que mezclarla con agua fría hasta que la temperatura sea de unos 40-43 °C.

Válvulas de seguridad. Vaso de expansión, encargado de sumir los cambios de volumen del líquido portador del calor cono

consecuencia de las variaciones de temperatura. Caldera adicional, para disponer de agua caliente cuando no se posible conseguirla con el sol (días

nublados, por la noche). Esta caldera puede ser de varios tipos (gas, gasóleo, eléctrica, biomasa, bomba de calor).

Sistema de autoprotección contra temperaturas excesivas. Hay que tener en cuenta que en el interior de los paneles solares se pueden alcanzar temperaturas de 200 °C. por ello, en caso de sobrecalentamiento se vacía automáticamente el colector.

Sistema de ajuste del caudal según la intensidad de la radiación solar.

8.11.- instalaciones solares térmicas con paneles termodinámicos.

Las tecnologías de aprovechamiento de la energía solar están en constante evolución. Cerca de oporto (Portugal) funciona una fábrica de paneles solares termodinámicos, cuya principal característica es que por su interior. En vez de circular agua, lo hace un gas refrigerante (R 134A, por ejemplo). La tecnología de este tipo de paneles es hispano-portuguesa, y son muchas las instalaciones (más de 2.000) que funcionan con este tipo de captadores en todo el mundo.Su principio de funcionamiento se basa en el ciclo de Carnot.Como vemos en la citada figura, en el circuito hay cuatro componentes principales:

1. La válvula de expansión (reguladora de la presión).2. El evaporador (que en este caso son los paneles termodinámicos como veremos más adelante).

3. El compresor.4. El condensador.

Principio de funcionamiento del Ciclo de Carnot

Todos estos elementos están unidos por tuberías de cobre deshidratado.A continuación vamos a ver la secuencia de funcionamiento de una instalación solar térmica con paneles termodinámicos:

A. Desde la válvula de expansión el fluido refrigerante inicialmente en estado liquido, pasa a los paneles solares donde se calienta por la radiación solar, el calor ambiente, la lluvia o el viento.

B. En los paneles termodinámicos, el refrigerante que entra procedente de la válvula de expansión se calienta y se expande (paso del estado líquido al gaseoso).

C. En el compresor, el gas caliente se comprime por lo que según las leyes de la termodinámica, aumenta su presión y su temperatura. En este caso llega a temperaturas del orden de 110 a 120 °C.

D. El gas comprimido a 110-120 °C pasa a un intercambiador (el condensador) donde cede su calor al agua, de forma que esta se calienta hasta unos 100°C. ya tenemos agua caliente para calefacción, piscinas, ACS, etc.

Estos paneles tienen unas dimensiones de 2 metros de longitud por 0,8 metros de anchura. Es decir, tienen un área de 1,60 metros cuadrados, Pero como captan calor por las dos caras, la superficie aprovechable es de 3,20 metros cuadrados. Pesan 8 kilómetros por panel, Por ejemplo, para climatizar una piscina de 600 metros cúbicos se utilizaron 120 paneles que ocuparon 120 metros cuadrados.

Por las muchas instalaciones que ya se han hecho, se han visto las ventajas de este tipo de tecnología:

Funcionan aunque este nublado el día. Funcionan incluso de noche, si hay calor suficiente. Funciona con lluvia y viento. Aprovechan el calor ambiental. No es necesario colocar los paneles en el tejado, se pueden colocar en las fachadas. Se pueden colocar solapados.

No tienen forzosamente que estar orientados al sur. No se precisa fuente calórica de apoyo. No se congelan. No se saturan por calor.

8.12.- Clasificación de las instalaciones solares térmicas según temperatura.

Las instalaciones solares térmicas se pueden clasificar siguiendo el criterio de la temperatura final deseada, en tres grandes grupos:

Instalaciones solares de baja temperatura. Se utilizan captadores solares planos para calentar el fluido a temperaturas inferiores a 80 °C, adecuadas para ACS y calefacción.

Instalaciones solares de media temperatura. Aquí es necesario recurrir a sistemas de concentración solar para conseguir temperaturas de hasta 350 °C. se pueden usar en aplicaciones térmicas o en producción de electricidad.

Instalaciones solares de alta temperatura (más de 350 °C), donde se necesitan heliostatos y discos parabólicos para la concentración solar.

Hasta ahora hemos estudiado las dos primeras (baja y media temperatura). Vamos a ver ahora como se pueden conseguir temperaturas altas con instalaciones solares térmicas.

8.13.- Instalaciones solares termoeléctricas o de concentración.

Hasta ahora, hemos visto en este capítulo que la energía solar se aplica para obtener calor, que sirve para la calefacción, el agua caliente, etc. Se han desarrollado un tipo de instalaciones solares en las que se utiliza la energía del sol para producir calor (temperaturas altas, de 200 a 1.000 °C). Este calor producido no se emplea en calefacción o para obtener agua caliente, sino que se transforma en vapor (de alta presión y temperatura) y ese vapor se emplea para producir electricidad.Como veremos a continuación, esta tecnología se basa en concentrar mediante espejos la energía solar en un punto o línea, por cuyo interior circula un fluido. Este fluido debido a las altas temperaturas alcanzadas por concentración solar, es también capaz de producir vapor a temperaturas altas.Básicamente, la tecnología termoeléctrica de concentración solar es de tres tipos:

Concentración solar por captadores cilíndrico-parabólicos. Concentración solar por disco Stirling. Concentración solar en torres.

8.14.- Concentración solar por captadores cilíndrico parabólicos.

Como se aprecia en las siguientes figuras, en este caso los paneles solares (también llamados captadores o colectores) tienen una forma cilíndrico-parabólica. De este modo consiguen concentrar los rayos del sol en

un punto o en una línea de superficie reducida. En la figura se ve como los rayos directos del sol caen sobre el captador curvado, que los envía a ese punto o tubo central (tubo absorbedor).También apreciamos cono es necesario un sistema de seguimiento para estar siempre en la mejor posición con respecto al sol, y obtener el máximo rendimiento posible en cada momento. Estos sistemas de seguimientos suelen estar compuestos por un sensor técnico, que manda las órdenes oportunas a un servomotor que hace girar al colector, para que se situé en la posición en la que la recepción de energía solar es máxima. En vez del sensor se puede poner un reloj.

Captadores solares cilíndrico-parabólicos para concentración solar.

Componentes principales de una instalación de concentración:

El reflector. Como ya hemos dicho, el reflector es el encargado de concentrar los rayos solares directos sobre un punto o una línea (tubo absorbente).el reflector lleva un soporte base metálico (también puede ser de vidrio o de plástico), sobre el que se deposita una lamina o laminas de material reflectante, tal cono el aluminio o la plata.

Tubo receptor-absorbedor. En realidad está hecho de dos tubos concéntricos entre los que se ha hecho el vacio, con lo que se evitan perdidas de calor. El tubo exterior y el tubo interior (por donde circula el fluido caloportador) pueden ser de metal. Según la temperatura de trabajo se pueden utilizar distintos fluidos. Así por ejemplo, si trabajamos a temperaturas inferiores a 200 °C, se puede utilizar agua desmineralizada con etileno-glicol (para bajar su punto de congelación). Si la temperatura de trabajo está comprendida entre 200 y 450 °C, se utiliza un aceite sintético. Los nuevos sistemas de concentración solar pueden incorporar unos tubos que resisten presiones altas y con los que se puede obtener directamente vapor a presión. El fluido caloportador en este caso es una solución de sales.

Sistema de seguimiento. Como ya indicamos anteriormente, la instalación va provista de un sensor térmico y un servomotor, para orientar los captores cilindro-parabólicos en la dirección adecuada.

Estructura soporte y cimentación.

Para instalar un campo solar con tecnología cilíndrico-parabólica, el lugar escogido debe reunir las características apropiadas, tales como:

Terreno muy llano. Clima adecuado (zona soleada, con pocas nubes, para tener una buena radiación solar directa). Disponibilidad de agua, ya que tenemos que producir vapor, que después se utilizará para obtener

electricidad. Disponer de una red eléctrica cercana donde descargar la electricidad producida.

8.15.-Disco Stirling para concentración solar

Este motor se caracteriza por tener un buen rendimiento en la transformación de calor en energía mecánica. Después, esta energía mecánica se puede transformar en electricidad. La energía que necesita el motor Stirling para funcionar se puede obtener del sol. Para ello se dispone de los siguientes componentes:

Reflectores o concentrador solar de alta capacidad reflectante. Como en el caso de los reflectores cilíndrico-parabólicos, lleva espejos individuales, que en este caso están curvados de forma esférica y que tienen un gran poder reflectante.

Receptor-absorbedor. En este caso es un receptor solar de cavidad, sobre el que inciden los rayos concentrados de sol. En su interior hay un fluido portador del calor, que se puede llegar a calentar hasta 750 °C.

Motor Stirling. El fluido portador del calor lleva al motor Stirling la energía necesaria para su funcionamiento. En vez del motor Stirling, se puede usar una microturbina en combinación con un generador eléctrico.

La compañía Abengoa ha realizado una instalación solar de concentración con motor Stirling en Andalucía, en cooperación con la Agencia Andaluza de la Energía. En principio son 8 discos Stirling, que generan 120 MWh al año.

Los discos Stirling se utilizan en las instalaciones solares para la producción de electricidad con un buen rendimiento. Suelen tener una capacidad de 10 a 50 kW por cada unidad de disco.

Concentración solar mediante el disco Stirling.

El absorbedor recibe los rayos solares concentrados, y transfiere su energía al fluido portador del calor. Este calor es el que hace funcionar el motor Stirling.

8.16 Torres solaresComponentes:

Los espejos o heliostatos, que pueden girar sobre dos ejes para orientarse al sol y conseguir el mejor rendimiento energético. Estos espejos móviles suelen ser de vidrio, con una estructura soporte anclada al suelo. Casa unidad suele tener unos 120 metros cuadrados de superficie reflectante (13 metros de ancho por 10 de alto). Llevan también mecanismos para el control y regulación de su movimiento (suelen ser un sensor térmico y un servomotor, como ya hemos visto en casos anteriores).

Receptor-absorbedor, que se encuentra situado en lo alto de la torre para evitar sombras, y que recibe las radiaciones solares concentradas (hasta 600 veces). El calor de estas radiaciones se transmite a un fluido (aire, agua, sales minerales fundidas), para su transformación en vapor. Este vapor alimenta una turbina que produce una energía mecánica, que es aprovechada por un generador para producir electricidad. Con este sistema se pueden alcanzar altas temperaturas (1.000 °C o mas), por lo que el rendimiento en la transformación del calor en electricidad es alto (más del 25 por ciento). En el receptor-absorbedor la radiación solar concentrada llega a un “embudo” receptor o concentrador secundario, pasando las radiaciones al cuerpo absorbedor, que consta de una vitrina de cuarzo y una matriz absorbente, que se calienta a altas temperaturas. Ese calor lo transmite al fluido en circulación, que entra frio y sale caliente.

Torre. Como hemos dicho antes, la función de la torre es poder el receptor-absorbedor a la altura adecuada para que no tener problemas de sombras, aunque los espejos estén relativamente alejados. De esta forma se puede ampliar el campo de colocación de los heliostatos (espejos).

Como ya vimos, se puede acoplar a este sistema unos depósitos de almacenamiento de la energía (agua/vapor, sales fundidas), para los periodos donde no se dispone de energía solar.Vista aérea de instalaciones de concentración solar PS10 y PS20

La primera instalación de este tipo que se hizo en el mundo está cerca de Sevilla. La planta se llama PS10 y es una instalación de concentración solar con torre, para producir electricidad, con una potencia de 11 MW. Fue desarrollada por Abengoa Solar.

Tiene un sistema de almacenamiento de energía para 30 minutos. En condiciones nubladas, es decir de baja radiación solar, está preparada para quemar un 12-15 por ciento de gas natural. La planta puede generar unos 24 GWh de energía limpia al año. Con esa electricidad se puede cubrir el consumo anual de 5.500 hogares, evitando lanzar a la atmosfera 6.700 toneladas de CO₂ por año.

Los espejos (heliostatos) concentran los rayos solares sobre el receptor situado en lo alto de la torre, que genera vapor a alta presión y temperatura (40 bar y 250 °C). Este vapor mueve una turbina que a su vez genera energía mecánica que suministra a un generador eléctrico. El vapor que sale de la turbina pasa a un condensador, y mediante bombeo, vuelve al receptor para repetir el ciclo.

La instalación PS10 la componen:

624 heliostatos diseñados por Abengoa Solar New Technologies, de 120 metros cuadrados de superficie reflectante por cada uno de ellos, lo que hacen una superficie total reflectante de 75.000 metros cuadrados.

Estos espejos concentran las radiaciones solares en el receptor que está en la torre a 115 metros de altura. El receptor está preparando para la generación directa de vapor saturado, y está compuesto por cuatro paneles verticales de 5,5 metros de ancho por 12 metros de altura. Están dispuestos en forma semicilíndrica, y se alojan en una cavidad con una apertura de 11 metros x 11 metros. Por ello se llama “receptor de cavidad”.

Torre de 115 metros de altura. Para reducir su impacto visual, de lado tiene unos 8 metros de ancho, aunque la parte frontal tiene unos 18 metros de anchura.

Sistema de almacenamiento de vapor. Turbina y generador eléctrico. Condensador y bomba de retorno. Otros elementos de regulación y control (tuberías, válvulas, etc.)

Ya está en funcionamiento la segunda mayor instalación solar termoeléctrica del mundo. Se trata de la PS20. Está situada en Sevilla (España), junto a la PS10.La instalación PS20 la ha desarrollado la compañía Abengoa y tiene una potencia instalada de 20 MW. Es capaz de suministrar electricidad a 10.000 hogares y evita la emisión de 12.000 toneladas de CO₂ anuales. Está compuesta por 1.255 heliostatos y una torre de 165 metros de altura. Cada heliostato tiene una superficie de 120 metros cuadrados. Ocupa una superficie de 95 hectáreas. Según el informe de Greenpeace “Electricidad Solar Termoeléctrica 2020”, este sistema puede proporcionar grandes cantidades de electricidad en países soleados.En menos de 40 años podría representar el 5 % de la electricidad consumida en el mundo, evitando emisiones de CO₂ del orden de 154 millones de toneladas (hasta el 2020).

8.17.- La mayor planta solar termoeléctrica del mundo.

La mayor planta termosolar del mundo fue inagurada en Abu Dabi por el presidente emirati, en el marco de un proyecto de 600 millones de dólares en el que participa la compañía española Abengoa.La planta Shams 1 (Sol 1) está situada en el desierto de Madinat Zayed, en una de las regiones más soleadas y calientes del mundo, a unos 120 kilometros al sudoeste de Abu Dabi, la capital de Emiratos Árabes Unidos.La central ha sido construida durante tres años por un consorcio internacional, integrado por la emiratí Masdar (60%), la francesa Total (20%) y la española Abengoa (20%9, que se encarga de operar el centro y de su mantenimiento.

Con Shams 1, Masdar generará el 10% de la energía solar por concentración en el mundo. Oriente Medio posee casi la mitad del potencial mundial de energías renovables. Shams 1 ocupa una superficie de 2.5 kilometros cuadrados y cuenta con 768 colectores cilindroparabólicos, tiene una ca´pacidad para producir 100 megavatios, lo que permite suministrar energía a unos 20,000 hogares. 8.18.- La energía solar fotovoltaica.

Hemos visto la producción de calor (calefacción y agua caliente sanitaria) mediante la energía del sol que se convierte en calor en instalaciones solares térmicas (con paneles solares térmicos). También hemos visto la producción de electricidad a partir de las radiaciones solares, en instalaciones termoeléctricas (espejos cilíndrico-parabólicos y torres con espejos). Ahora vamos a ver que también es posible producir electricidad por la acción directa de las radiaciones solares sobre paneles especiales que convierten las citadas radiaciones en electricidad.Estos paneles especiales están compuestos por unas “células fotovoltaicas” que es donde realmente tiene lugar la transformación de la energía luminosa (fotones) en electricidad (electrones en movimiento).

8.19.- El efecto fotoeléctrico (células fotovoltaicas).

Llamamos materiales conductores de la electricidad (el cobre por ejemplo) a los que la dejan pasar libremente ya que tienen electrones libres o que pueden liberarse fácilmente. Llamamos materiales

aislantes (plástico, papel) a los que oponen una enorme resistencia al paso de la corriente eléctrica (los electrones de sus capas periféricas están fuertemente ligados y se necesitaría una gran energía para librarlos).Entre ambos extremos hay unos materiales llamados semiconductores. Los más conocidos son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Estos materiales si están a 0 K son aislantes, pero si reciben energía (luminosa por ejemplo), se encuentran más cerca de los conductores y pueden producir corrientes de electrones. Eso es exactamente lo que ocurre en las células fotovoltaicas, que suelen estar hechas de silicio. Como se ve en dicha figura, un material semiconductor (el silicio), es expuesto a los rayos solares, que contienen energía luminosa (fotones). Estos fotones aportan energía a los electrones de valencia de los átomos de silicio. Si la energía que aportan es suficiente para vencer la fuerza que mantiene los electrones unidos al átomo, estos electrones se liberan y llegan a formar una corriente de electrones (electricidad), que en la figura se representa por un circuito que es capaza de encender una lámpara. Este es el esquema de funcionamiento del efecto fotoeléctrico.

Figura 9.28.- Principio de funcionamiento de las células fotovoltaicas.Fuente:Solaria.

Como en estado puro el silicio no es muy fotoconductor, se le “dopa” con átomos de fosforo, que tienen 5 electrones en su capa externa. Así tenemos un silicio dopado con fosforo, que tiene un excedente de cargas negativas. Este material es el que aparece en la Figura 9.28, como “tipo n”. En esa misma figura, vemos el material “tipo p”, que es silicio dopado con boro, que tiene 3 elecciones en su capa externa, por lo que se produce un excedente de cargas positivas. Efectivamente, ya que el silicio tiene 4 electrones en la banda de valencia y el boro solo tiene tres. Al estar estas dos zonas dopadas en contacto, se produce un diodo, ya que los electrones excedentes de la capa n son atraídos por las cargas positivas de la capa p. Esto da origen a una corriente eléctrica La fabricación de células fotovoltaicas aun resulta cara (se precisa un silicio de una gran pureza), pero este es un campo en el que se está investigando mucho como consecuencia de los problemas energéticos mundiales.También hay que tener en cuenta que el rendimiento de las células de silicio es bajo (13 al 25 por ciento). El rendimiento es la energía luminosa que realmente se transforma en electricidad.Existen también células fotovoltaicas de sulfuro de cadmio que son más baratas pero que tienen un rendimiento tres veces menor que las de silicio.Como la corriente que genera una célula fotovoltaica es muy pequeña (1,1-1,7 V), se agrupan las células para conseguir una corriente mayor. La electricidad generada es continua, por ello veremos más adelante que se emplea un aparato (inversor) para pasarla a corriente alterna. Estos conjuntos forman un panel solar fotovoltaico que estudiaremos más adelante en este mismo capítulo.

9.23.- Silicio de grado solar

Como ya hemos dicho, el material más utilizado para la construcción de células fotovoltaico es el silicio. Es un elemento muy abundante en la corteza terrestre pero no se encuentra como tal, sino combinado con el oxigeno formando oxido de silicio (SiO₂).En la naturaleza encontramos la cuarcita que es un mineral que contiene un 90 por ciento de óxido de silicio. Por ello, para obtener silicio se parte de dicho mineral hasta conseguir silicio de diversos grados de pureza. Así tenemos:

Silicio de grado metalúrgico. Es un producto con el 99 por ciento de riqueza y se obtiene a partir de la cuarcita. Es adecuado para usos industriales, entrando a formar parte de aleaciones. Pero aun no es suficiente ese grado de pureza para conseguir células fotovoltaicas. Se necesita una pureza mayor.

Silicio de grado electrónico o solar. En un principio, con el desarrollo de los ordenadores, el silicio de alta pureza que se fabricaba se dedicaba a esta industria y los recortes de silicio se dedicaban a la fabricación de células fotovoltaicas. Pero con el desarrollo que ha adquirido la industria solar ya se fabrica silicio de grado solar. Para hacer silicio de grado solar se parte del metalúrgico. Este silicio de grado metalúrgico se pasa a gas (triclorosilano) por un proceso químico. Después se extrae de dicho gas un silicio de una elevadísima pureza (solo partes por millón de impurezas), al que se le conoce como polisilicio.

Ante la demanda tan fuerte de silicio de grado solar se produjeron fuertes subidas de su precio. En la actualidad ya se están instalando varias fábricas para hacer frente a esa demanda. Por otro lado, la tecnología de purificación está avanzando mucho. Veamos los tipos comerciales de silicio existentes:

Silicio monocristalino. Es el mejor y el más caro. La mayoría de las células fotovoltaica actúales están hechas de este tipo de silicio. El proceso de fabricación resumido es el siguiente: el silicio se purifica, se funde y se cristaliza en lingotes. Los lingotes obtenidos se cortan muy finamente para hacer las células monocristalinas (de color uniforme, azul o casi negro).

Silicio policristalino. Tiene menor rendimiento que el silicio monocristalino, pero es más barato, por lo que se está imponiendo su utilización, ya que reduce el coste del kilovatio solar. Se le llama policristalino por que la cristalización es aleatoria, en vez de seguir un patrón homogéneo de cristalización como ocurre en el silicio cristalino.

Silicio “Ribbon”. En este caso, en vez de tomar un lingote de silicio y cortarlo finamente en obleas, lo que se hace es estirar silicio fundido. Por lo demás, este tipo de células funciona igual que las anteriores.

Estos tres tipos de silicio cristalización se cortan en espesores de aproximadamente 200 um. También existen células de película mucho más delgada (aproximadamente 5 um), que tienen un menor rendimiento, pero son más baratas y fáciles de colocar en tejados.

Silicio amorfo. Es más barato pero tiene menor rendimiento que el silicio cristalino. La célula amorfa consta de: una unión p.i.n, capa transparente de óxido en la parte superior, una capa de

metal de contacto y reflectora, y un sustrato final flexible. La capa de silicio amorfo se deposita sobre un sustrato (acero, vidrio, plástico) a una temperatura de 200-300 °C. Estas bajas temperaturas (relativamente hablando) hacen posible la utilización de sustratos de menor coste. Cuando las temperaturas de deposición son muy altas se necesitan sustratos de materiales caros (resistentes a esas altas temperaturas). El silicio amorfo tiene una elevada capacidad de absorción de la luz, por lo que se puede poner en capas extra-delgadas (1 um), pero la propia intensidad lumínica produce su degradación progresiva, con lo que va bajando su rendimiento. Cuando el silicio amorfo es nuevo tiene un rendimiento del 12 por ciento, aproximadamente.

Micro-silicio. Están hechos de células de silicio en capas muy delgadas (unos 5 um), con lo que se pueden reducir los costes respecto a las de mayor grosor, mejorando los rendimientos. Además, tienen la ventaja de que se degradan poco con la luz, por lo que duran más, manteniendo todas sus características.

9.24.- Células solares fotovoltaicas de otros materiales

Además de las células de silicio, existen otras tales como:

Células CIGS. Estas células solares fotovoltaicas de cobre, indio, galio y diselenuro (CIGS, son las iníciales de cada material), están hechas de capas muy delgadas. Debido a su rendimiento alto y a su bajo coste, es posible que veamos en el futuro muchos paneles fotovoltaicos a base de estos materiales. Dentro de las células de capa extra-delgada, las CIGS tienen un elevado coeficiente de absorción, absorbiendo el 99 de los fotones que inciden sobre su superfiie. Su coste es bajo pero su proceso de fabricación es difícil y muy caro. Además, la capa de cadmio es un problema, ya que está considerado como material toxico por la Unión Europea, aunque en este caso no sea un problema.

Células de teluro de cadmio. Estas células de teluro de cadmio también son de capa ultra-delgada. Están formadas por una capa tipo “p” de teluro de cadmio, otra capa fina tipo “n” de CdS, una de óxido conductor transparente (que está conectada con un contacto eléctrico) y un sustrato de vidrio. Es una tecnología en desarrollo pero su fabricación no es difícil. La desventaja es que los materiales son caros, y el cadmio, aunque en estas células no representa ningún peligro, está considerado como tóxico.

9.25.- Paneles solares fotovoltaicos.

También llamamos módulos o colectores. En el epígrafe 9.23 hemos visto que una sola célula fotovoltaica genera una corriente muy baja, por lo que es necesario unir varias de ellas en serie para poder alcanzar un cierto voltaje. Los paneles solares son la unión de células fotovoltaicas en serie, encapsuladas para protegerlas (en plástico transparente, por ejemplo) y con un marco metálico para su montaje.Los panelas (o módulos, como también se les llama) son las unidades básicas de los sistemas de generación de electricidad a partir de la energía solar.Veamos las características y las pruebas de calificación de un panel solar fotovoltaico, por ejemplo, el modelo BP 3165 ( BP Solar). Tiene una potencia de 165 W con 72 células fotovoltaicas. Lleva en la cara

superior una capa antirreflectante de nitruro de silicio. La parte trasera es de poliéster de color blanco. El bastidor es de aluminio anodizado, con las conexiones necesarias. Para 15,4 kilos y tiene una eficiencia de 13.1 por ciento. Este panel esta especialmente indicado para sistemas conectados a la red (tejados de centros comerciales, por ejemplo) y grandes centrales fotovoltaicas.Los módulos solares se pueden conectar:

En serie. Por ejemplo si tenemos un modulo de 12 V y 1,5 A y lo conectamos en serie con otro modulo de las mismas características tendremos un conjunto de 2 módulos de 24 V y 1,5 A (se suman los voltajes y se mantienen las intensidades).

En paralelo. Si tenemos los dos módulos del ejemplo anterior y los conectamos en paralelo, tenderemos un conjunto de 12V y 3A (se mantienen los voltajes y se suman las intensidades).

El armazón de los módulos debe ser a la vez resistente y ligero. Se suele fabricar de aluminio con resinas para hacerlo hermético.La cubierta del panel suele ser de cristal templado, resistente a impactos, transparente, dejando pasar las radiaciones solares (en más de un 92 por ciento).Los paneles solares fotovoltaicos se deben orientar al sol, según la hora del día, mes del añoy lugar geográfico, si se dispone de sistemas de inclinación variable. Cuando los paneles son fijos se escoge una orientación media, la más adecuada para la zona. Por ejemplo en países soleados se suele escoger una orientación sur, con una inclinación de 40-45 grados, según zonas. La inclinación fija tiene unos costes inferiores a la variable.Los paneles se deben instalar en zonas sin sombras (siempre que sea posible). Tampoco se deben hacer sombra entre ellos. Hay que mantenerlos siempre limpios de hojas, ramas, polvo, suciedad, etc. Su fijación al suelo debe ser firme, ya que tienen que permanecer fijos en el sitio más de 25 años (su vida útil).

9.26.- Instalaciones solares fotovoltaicas: aisladas, conectadas a la red y centrales fotovoltaicas.

En la actualidad los tipos de instalaciones solares fotovoltaicas son:

1. Instalaciones solares fotovoltaicas aisladas. (Figura 9.30). Son las que se construyen para dar suministro de electricidad a casas o instalaciones aisladas donde no llega la red de distribución eléctrica. Se utilizan en los casos donde está muy alejada la red eléctrica o donde ni siquiera hay redes eléctricas (cercanas o lejanas). Lo mismo se pueden utilizar en poblados de África , que en una casa de vacaciones en los Alpes. En una señal de carretera, que se surte con un pequeño panel fotovoltaico, o en un pequeño puesto meteorológico en lo alto de una montaña, donde no es económico tender un cable hasta la red eléctrica.

2. Instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica. En este caso la instalación (ver la Figura 9.31) está cerca de una red de distribución de electricidad, por lo que la electricidad producida se puede vender a la red. Por ejemplo, una nave que tiene una instalación fotovoltaica, y en las horas más soleadas tiene un exceso de producción que puede enviar a la red eléctrica, en hora punta, y obtener un beneficio económico.

3. Centrales solares fotovoltaicas. También se les conoce con el nombre de “huertos solares”. Vimos caso anterior de una nave cuya finalidad principal es producir electricidad solar para su propio consumo, pero que vende el exceso de electricidad solar producida a la red eléctrica. Ahora vamos a ver el caso de instalaciones solares fotovoltaicas, cuya única finalidad es vender la electricidad a la red eléctrica. Este tipo de instalaciones suele ser muy grande para optimizar la producción. En la Figura 9.32 vemos un ejemplo de central solar eléctrica.

Una instalación fotovoltaica de 2 kilovatios de potencia genera 2.000 KWh al año de electricidad de origen solar, lo que supone una tonelada menos de emisiones de CO₂ a la atmosfera cada año.

La figura 9.32 nos presenta una instalación solar fotovoltaica para producir electricidad a partir de las radiaciones solares. Sus componentes principales son:

1. Paneles de silicio. Son captadores de las radiaciones luminosas del sol (fotones), que las transforman en una corriente eléctrica, como ya hemos estudiado anteriormente.

2. Torre meteorológica. Analiza las variables meteorológicas de la zona que pueden afectar a las radiaciones luminosas. Con el resultado envía una señal a la sala de control.

3. Unidad de monitorización.4. Sala de control. Desde donde se realiza el control y la operación de toda la central eléctrica,

permitiendo también subsanar cualquier problema o deficiencia.5. Sal de potencia. Donde se encuentra los armarios de corriente continua, corriente alterna y el

inversor.6. Armario de corriente continúa. Es el que recibe la corriente continua producida por los paneles.

Tiene todos los controles y mandos necesarios (medida, protección, regularización).7. Inversores. Son los encargados de transformar la corriente continua en alterna para su mejor

aprovechamiento.8. Armario de protección y control de la corriente alterna. Es este armario se recibe la corriente

alterna procedente del inversor. Tiene todos los controles y mandos necesarios (medida, protección, regulación).

9. Transformadores. Que son los encargados de elevar el voltaje de la electricidad producida para facilitar su transporte.

10. Línea de transporte de energía. Que envía la electricidad alterna a la red de distribución.

Figura 9.30.- Instalación solar fotovoltaica en una vivienda que consta de: Módulos fotovoltaicos (también llamados paneles o captadores), resistentes a condiciones

atmosféricas extremas. Regulador de carga (en el centro de la figura, justo debajo de los paneles fotovoltaicos), que

regula el paso de electricidad desde los módulos fotovoltaicos a los puntos de consumo o a una batería para almacenar la electricidad y utilizarla cuando no se dispone de luz solar.

Batería (izquierda de la figura, en negro con etiqueta blanca), recargable. Está preparada para ciclos frecuentes de carga y descarga.

Inversor (debajo del regulador de carga), para convertir la corriente eléctrica continua recibida de los paneles, en corriente alterna a 230 V, que es en la que funcionan la mayoría de los aparatos y electrodomésticos modernos.

Puntos de consumo (lámpara, frigorífico, enchufe para un televisor). Los aparatos se deben escoger para que sean de bajo consumo, aunque cuesten un poco más, ya que a la larga resultan económicos.

Fuente: solarsom.esFigura 9.31.- Instalación solar fotovoltaica conectada a la red eléctrica, donde se aprecia:

A. Paneles solares fotovoltaicos resistentes a climatologías extremas. Un buen panel puede tener una vida útil de 25-30 años.

B. Inversor (en el centro de la figura). Es el encargado de convertir la corriente continua recibida de los paneles, en corriente alterna a 230 voltios para que puede admitirse en la red eléctrica de distribución.

C. Caja con contador y cuadro eléctrico (abajo en la figura). La electricidad pasa a la red de distribución por un contador y un cuadro eléctrico. De esta forma se sabe la electricidad que se inyecta en el sistema o la que se toma del mismo.

Figura: heliostar.com

En un principio se pensó que las instalaciones solares fotovoltaicas que más proliferarían serian las “aisladas”, y así fue durante unos años, pero en la actualidad se han impuesto las conectadas a la red, ya que se pueden dimensionar de forma que sean más rentables. De todas formas, las instalaciones fotovoltaicas aisladas cumplen una función social (dar electricidad a poblados) muy importante, por lo que seguirán extendiéndose. Por ejemplo, muchas ONG (Organizaciones no gubernamentales) han visto que la forma más inmediata de llevar el progreso a las pequeñas aldeas de África u otros continentes, es mediantes una de estas instalaciones fotovoltaicas, que dan muchos servicios a esas poblaciones, como por ejemplo:

Disponer de luz eléctrica en los hogares. Bombear agua de un pozo e incluso potabilizar el agua extraída. Hacer funcionar electrodomésticos caseros (frigorífico, televisión, etc.). Hacer funcionar un ordenador y tener acceso a internet Poder hacer funcionar la instalación frigorífica de un depósito de leche, con lo que se puede

conservar refrigerada. Etc.

Figura 9.32.- Central solar fotovoltaica. También se le llama “huerto solar”.Fuente: Kalipedia.La empresa EPURON conjuntamente con SunTechnics (ambas del grupo alemán Conergy), han construido en Mering (Alemania) una instalación de energía solar fotovoltaica de 1,78 MW. La novedad radica en que los módulos solares son de “capa fina”. La tecnología de capa fina ahorra mucho silicio, que es el material

caro de estas plantas. La planta ocupa 6 hectáreas y la inversión ha sido de 7 millones de euros. Se estima que producirá cada año 1,9 millones de kWh.Para la elección del sistema solar fotovoltaico adecuado a casa caso, y la de sus componentes (numero de paneles, capacidad de la batería, etc.), se debe estudiar la zona, los datos meteorológicos locales, las necesidades eléctricas diarias, y teniendo en cuidado de no sobredimensionar el sistema, que lo único que consigue es aumentar los costes.

9.27.- componentes de las instalaciones solares fotovoltaicas.

Aunque en los epígrafes anteriores de este puede decirse que ya hemos estudiado los principales componentes de una instalación solar fotovoltaica (células, paneles, inversores, baterías, etc.). Vamos a darles un repaso.

Modulo o paneles fotovoltaicos, que son los que reciben las radiaciones solares y las convierten en una corriente eléctrica continúa.

Regulador de carga, para regular el paso de la electricidad desde los módulos a los puntos de consumo o a la batería, garantizando una larga vida útil para la misma. Téngase en cuenta que en las instalaciones solares fotovoltaicas, las baterías estan sometidas a ciclos de carga y descarga constantes, por lo que sufren mucho si la regulación no es buena. El regulador controla la tensión (V) y la corriente (1). Nos da también las siguientes informaciones: indicación de batería cargada totalmente, indicación de batería en proceso de carga y protección contra carga excesiva. Tiene también sensores de temperatura para que la carga se desarrolle correctamente.

Baterías especiales, ya que como hemos dicho están sometidas a continuación ciclos de carga y descarga.

Inversor (también llamado convertidor), para transformar la corriente continua (12 V, por ejemplo) recibida de los paneles, en corriente alterna (230 V). Hay que tener en cuenta que la mayoría de los aparatos modernos (televisores, ordenadores, hornos microondas, etc.) funcionan con corriente alterna. Estos inversores deben llevar protección contra sobrecarga del sistema, exceso de temperatura, batería baja e inversión de polaridad.

9.28.- Calculo de una instalación solar fotovoltaicaEn el cálculo de una instalación solar fotovoltaica hay que seguir los siguientes pasos:

1. Calcular la demanda media diaria de electricidad. Hay que saber los equipos que se conectarán a la instalación y su consumo. Se deben tener en cuenta tanto los aparatos que funcionan con corriente continua (CC) como los que funcionan con corriente alterna (AC).En cualquier caso hay que tener en cuenta que la mayoría de los aparatos funciona modernamente con AC, por lo que para simplificar la instalación, ya solo se considera esta última. Así se podría aplicar la siguiente fórmula:

(Consumo del aparato n°1 x horas conectado + …) x Fc=Consumo total

Es decir, se ponen todos los aparatos (1, 2, 3…n), se multiplica por las horas que estarán conectados (cifras medias) y se multiplica por un factor de corrección (Fc).Este factor de corrección comprensa las perdidas en la instalación. Por ejemplo, en el inversor, al pasar de corriente continua a corriente alterna se producen perdidas.Estas pérdidas incrementan el consumo total en un 40 por ciento en corriente alterna. El factor de corrección es: 1,4.

2. Calcular la energía diaria que puede suministrar un modulo. Por ello hay que saber las radiaciones solares de la zona, las horas de sol, la inclinación y la orientación más adecuadas para el modulo. Se puede aplicar la formula:

Electricidad suministrada por un modulo = potencia del modulo x Factor RegionalEn España y otros países soleados, ese valor es de 4 Wh como mínimo.3. calculo de los módulos solares fotovoltaicos (FV) necesarios. Podemos aplicar la siguiente fórmula:

Modulo FV necesarios = Demanda media diaria (en Wh) / energía diaria suministrada por el modulo (Wh)

4. Cálculo de las baterías necesarias para la autonomía del sistema. en este caso se puede aplicar la siguiente fórmula:

B = D .A/N.C

Siendo:

B Numero de baterías “C”, en paralelo.D Demanda de energía diaria (Ah).A Autonomía del sistema (días).N Nivel tolerable de descarga (0,5, 0, 8).C Capacidad de la batería (Ah).

La autonomía del sistema es el número de días que la batería (totalmente cargada al comienzo), puede asegurar un suministro normal, sin necesitar carga.En aplicaciones domesticas se consideran 2 días cono una buena autonomía.

9.29.-Sistemas solares fotovoltaicos de concentración

Hasta ahora henos estudiado los sistemas solares fotovoltaicos de paneles que absorben la radicación dólar normal y la transforman en electricidad. Pero al igual que vimos en las instalaciones solares termoeléctricas

a bases de paneles cilíndrico-parabólicos y de heliostatos, es posible concentrar las radiaciones en un punto o una línea para conseguir un mayor rendimiento, aunque también el coste es mayor.En este caso, lo que se hace es disponer un gran campo de lentes (que son más baratas que los paneles fotovoltaicos de silicio) que concentran las radiaciones solares en un punto o línea, que es un modulo fotovoltaico de área reducida (más caro que los paneles fotovoltaicos planos). El área de este modulo fotovoltaico donde se concentran las radiaciones solares de las lentes, es 400 veces menor que los módulos fotovoltaicos planos necesarios para obtener la misma electricidad. Es decir, que si tenemos un campo solar fotovoltaico con una superficie total de 400 metros cuadrados de paneles planos, el modulo fotovoltaico del sistema de concentración solo tiene 1 metro cuadrado. Y produce la misma electricidad.Esto tiene una gran ventaja que es la reducción del consumo de silicio. En paneles con una superficie total de 400 metros cuadrados, se necesita mucho silicio. Si se trata de un solo modulo de un metro cuadrado, se consume mucho menos.También se ha visto que con el sistema de concentración se obtienen rendimientos más altos (24 por ciento aproximadamente) que con los colectores planos (13-17 por ciento, aproximadamente).Como indica GUASCOR FOTON en su información técnica “sistema fotovoltaico de Alta Concentración”:

“El sistema está basada en el uso de célula fotovoltaicas muy eficientes que trabajan a una concentración equivalente a 400 soles, desarrolladas en Silicón Valley por la empresa AMONIX.Para concentrar la luz del sol se utilizan lentes Fresnel, fabricadas con un material acrílico que presenta una elevada transparencia y gran resistencia a la fatiga térmica.

Figura 9.33.- Principio de funcionamiento de la concentración solar.Fuente: wtf.microsiervos.com

Las lentes van en una torre (torre FISAC) que está formada por una columna sobre la que se apoya una viga horizontal que soporta 5 mega-módulos de 13,5 x 3,5 metros cada uno.Cada torre tiene una potencia nominal de 25 kWp y dispone de un inversor de corriente continua a alterna, con una tensión de salida de 380 V. También lleva un mecanismo de orientación y seguimiento que varía en función de la orientación e inclinación del sol.

Los sistemas fotovoltaicos de concentración tienen otras características:

Mayor rendimiento (24 por ciento, aproximadamente) que los paneles planos (13-17%). Solo aprovechan la radiación solar directa, por lo que se deben instalar en zonas muy soleadas. El modulo fotovoltaico donde se concentran las radiaciones solares procedentes de las lentes es

muy pequeño (tiene una superficie 400 veces menor que la de los módulos fotovoltaicos planos equivalentes en producción de electricidad).

Los sistemas fotovoltaicos de concentración reducen el consumo de silicio respecto a los sistemas fotovoltaicos con módulos planos.

Las células fotovoltaicas de los sistemas de concentración pueden ser de Arseniuro de Galio (GaAs).

Es necesario un sistema de seguimiento de dos ejes para captar con precisión las radiaciones solares (ver la Figura 9.34).El seguimiento de la radiación solar mediante sistemas de uno de dos ejes es caro, por ello se reserva para las zonas de media y alta radiación solar. El seguimiento de un solo eje, se inclina en una sola dirección la frontal, mientras que el seguidor de dos ejes se inclina frontalmente, pero también tiene la capacidad de girar y seguir al sol en su trayectoria.Dentro de los sistemas fotovoltaicos de concentración podemos distinguir:

Sistemas fotovoltaicos de baja concentración, donde se empleas espejos normales para la concentración de la radiación solar en un pinto o línea. Las células fotovoltaicas utilizadas en el sistema son las normales de silicio.

Sistemas fotovoltaicos de alta concentración. Son los que hemos estudiado antes, donde las lentes son especiales (lentes Fresnel) y las células fotovoltaicas son especiales (de arseniuro de galio, GaAs).

9.30.- Nanopartículas de silicio para la fabricación de células fotovoltaicas de alto rendimiento

La manotecnologia estudia los sistemas de fabricación, las maquinas y la estructura de materiales de dimensiones diminutas (del orden de la millonésima parte de un milímetro). adesalinización del agua, fabricación de pinturas especiales.En el campo de la energía solar se han desarrollado unos “nanocables” de arseniuro de galio, que son capaces de absorber las radiaciones solares. A partir de esos cables se pueden fabricar módulos fotovoltaicos flexibles y muy eficientes. Su rendimiento (20-40 por ciento) puede ser superior al de los actuales módulos.Los paneles que se fabrican hasta ahora, tienen rendimientos variables entre el 13 y 20 por ciento. Ello es debido a que por cada fotón que incide sobre la célula fotovoltaica se libera un electrón. Sin embargo, investigadores del centro americano NREL (National Renewable Energy Laboratory, Laboratorio Nacional de Energías Renovables, en español), han descubierto un tipo de nanoparticulas de silicio, que son capaces de liberar 2-3 electrones por cada fotón incidente. Esto supondría que pasaríamos de un rendimiento del 20 por ciento al 60 por ciento, lo que es casi inimaginable en la actualidad en el mundo de la energía solar fotovoltaica.

Figura 9.35.- Cada vez es más corriente ver en las carreteras, luces y señales con su sistema solar fotovoltaico autónomo para generar la electricidad que necesitan.Fuente: sitiosolar.com

El problema es que no pueden “atrapar” esos 3 electrones liberados para producir electricidad. Por ahora se están haciendo pruebas y hay que esperar.

Existe un programa de investigación y desarrollo de la compañía General Electric Energy, con ayuda del gobierno americano, para abaratar los costes de fabricación y distribución de electricidad generada por sistemas solares fotovoltaicos, hasta que se igualen con los sistemas tradicionales.9.31.- La energía solar fotovoltaica en el mundo

La energía solar fotovoltaica está teniendo gran expansión en todo el mundo, tanto en países desarrollados cono en vías de desarrollo.En los países desarrollados predominan las instalaciones (medianas y grandes, sobre todo), con conexión a la red. Instalaciones aisladas solo se hacen en contados casos (chalés situados en sitios poco accesibles, señales luminosas en carreteras, etc.).En los países en vías de desarrollo se imponen las instalaciones aisladas, ya que son muchos los pobladores en África, Asia, América latina, que no tienen acceso a redes eléctricas.

Figura 9.37.- Celula solar fotovoltaica basada en el nanotecnología.Fuente blogs.creamoselfuturo.co