ennergia solar informe de

Facultad de Ingeniería

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA

FUNDAMENTOS DE INGENIERIA AMBIENTAL - Catedra Q 0850

PROF. ING INES M SANTANA Dto.INGENIERIA QUIMICA - CÁTEDRA FUNDAMENTIOS DE INGENIERIA AMBIENTAL Q0850 1

EL SOL

Es una masa de materia gaseosa caliente que irradia a una temperatura efectiva de unos 6000ºC. La distribución espectral de la radiación de esta fuente de energía, medida fuera de la atmósfera terrestre, se indica, se indica por una línea de trazos continuo en la figura 1, y de ella aproximadamente la mitad esta en la región visible del espectro, cerca de la otra región visible del espectro, cerca de la otra región infrarroja y un pequeño porcentaje de la región ultravioleta,. El sol esta a una distancia de 149490000 kilómetros de la Tierra, y la constante solar, esto es, la intensidad media de radiación medida fuera de la atmósfera en un plano normal la radiación es aproximadamente 1.94 cal/min. cm3.

Radiación que llega a la Tierra.

La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de las Tierra se reduce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación, en intervalos de longitud de onda específicos, por los gases de la atmósfera, dioxido de carbono, ozono, etc., por el vapor de agua, por la difusión atmosférica por la partículas de polvo, moléculas y gotitas de agua, por reflexión de las nubes y por la inclinación del plano que recibe la radiación respecto de la posición normal de la radiación.

Localidad y sus latitudes Diciembre

Kilocal/m2

Junio

Kilocal/m2

Promedio anual

San Juan, Puerto Rico, 18º N 4.177 5.425 5.262

El Paso, Texas, 32º N 3.274 7.408 5.525

Fresno, California, 37º N 1.655 7.106 4.502

Madison, Wisconsi, 43º N 1.220 5.398 3.309

Seattle, Washington, 47º N 624 6.184 3.146

Londres, Inglaterra, 52º N 488 4.720 2.387

Mesina, Sudáfrica, 22º S 6.293 3.635 5.086

Buenos Aires, Argentina, 35º S 7.188 2.075 4.286

Mt. Stronlo, Australia, 35º S 6.374 2.048 4..258

La intensidad de la radiación medida en la superficie de la Tierra varia de 1.6 a 0.

El total de la energía solar que llega a la Tierra es enorme. Lo EE.UU., por ejemplo, reciben anualmente alrededor de 1500 veces sus demandas de energía total. En un día de sol de verano, la energía que llega al tejado de una casa de tipo medio seria mas que suficiente para satisfacer





las necesidades de energía de esa casa por 24 hora. En la tabla 1 se dan valores típicos de la radiación que se recibe en la superficie de la Tierra. La figura 2, muestra la cantidad de radiación recibida en superficies orientadas de modo diferente en días claros (latitud 42°N).

La distribución espectral de la radiación en la superficie de la tierra ha sido extensamente estudiada y se ha propuesto una serie de curvas a modo de patrón, para diferentes masa de aire. la masa de aire , m, se define como la radiación y el espesor cuando el sol esta en el cenit y el observador a nivel del mar. la curva de trazos en la figura 1 muestra la curva patrón propuesta por una masa de aire igual a 2.

la tabla II indica la distribución de energía transmitida en tres intervalos de longitud de onda, para diversas masas de aire, m, y se basa en la constante solar de 1.896 cal/min. cm.

Intervalo de longitud de onda,

Energía transmitida, cal./(min.)(cm2)

m = 0 1 2 3 4 5

Ultravioleta, 0.29-0.40 0.136 0.057 0.029 0.014 0.008 0.004

Visible, 0.40-0.70 0.774 0.601 0.470 0.371 0.295 0.235

Infrarrojo, por encima de 0.70

0.986 0.672 0.561 0.486 0.427 0.377

Totales

Calorías por minuto, por cm2

1.896 1.330 1.060 0.871 0.730 0.616

USOS POSIBLES DE LA ENERGÍA SOLAR.

En una lista parcial de posibles usos de la energía solar, figuran:

• Calefacción domestica • Refrigeración • Calentamiento de agua • Destilación • Generación de energía • Fotosíntesis • Hornos solares • Cocinas • Evaporación • Acondicionamiento de aire • Control de heladas • Secado





Se han ensayado todos los usos citados de la energía solar en escala de laboratorio, pero no se han llevado a la escala industrial. En muchos casos, el costo de la realización de estas operaciones con energía solar no pueden competir con el costo cuando se usan otras fuentes de energía por la gran inversión inicial que es necesaria para que funcionen con energía solar y por ello la mayor parte de los estudios de los problemas de utilización de esta energía esta relacionado con problemas económicos.

Las instalaciones solares pueden considerarase clasificadas por tres tipos de aplicación. Primero, hornos solares, usados como medio de laboratorio para obtener altas temperaturas en diversos estudios y propuestos para usos semi industriales. En segundo lugar los usos potenciales de disposiciones solares sencillas, como cocinas, refrigerantes y bombas de irrigación en regiones no industrializadas, con radiación segura y en donde los actuales recursos de energía no son satisfactorios o resulten caros. Un tercer grupo de aplicación de energía solar podrá competir en el futuro económicamente con otras fuentes de energía en algunas zonas de países industrializados, como los EE.UU., si los adelantos técnicos en este campo o los cambios en el costo de la energía de otras fuentes llegan a alterar su costo relativo.

Los problemas con que se tropieza para recoger la energía solar, almacenarla y usar la energía resultante, son los mismos para numerosos usos potenciales de esta fuente de energía y se estudian uno por uno en lo que sigue. la discusión acerca de los usos posibles se estudia mas adelante.

Aplicaciones de la energía solar

En lo que sigue se discuten mas detalladamente los principios expuestos en relación con las diferentes aplicaciones de la energía solar para calefacción, enfriamiento y refrigeración de recintos, evaporación y destilación, generación de energía, hornos solares y diferentes usos.

Calefacción solar como medio de bienestar

La calefacción solar tiene interés principalmente por dos razones; en primer lugar, la calefacción para bienestar importa en los EE.UU. aproximadamente un tercio de las demandas totales de energía para calefacción, y en segundo lugar, las módicas temperaturas empleadas para calefaccionar recintos permiten uso de colectores de plancha plana que funcionan a temperaturas relativamente bajas y con rendimiento razonablemente bueno. Los estudios de calefacción domestica indican que el colector de plancha plana orientado en la posición indicada e incluido en la estructura del edificio como parte integrante de ella, es el tipo de colector para esta aplicación. El almacenamiento de calor por transiciones de fase en productos químicos, por calentamiento de lechos de guijarros, con colectores de aire o mediante tanques de agua con colectores calentadores de agua.





El tamaño del colector y el numero de unidades de almacenamiento se determinan por la carga de calefacción del edificio, el análisis del tiempo solar y los costos de combustible. Un simple análisis indica el almacenamiento de calor suficiente que se requiere para satisfacer las demandas calorificas del edificio durante el periodo nublado mas largo previsto, basado en el registro de datos meteorológicos, si la carga de calefacción ha de provenir totalmente de la energía solar. En el norte de los EE.UU., por ser los ciclos del tiempo muy variables, no es económicamente practico confiar en la energía solar para toda la carga de calefacción; los análisis indican que deben utilizarse fuentes de calor auxiliares. Estudios detallados del tiempo solar y de los factores económicos, realizados por Hottel y sus colaboradores en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, indican que en Cambridge el sistema de calefacción solar mas económico es el que proporciona dos tercios de la carga de calefacción.

Enfriamiento y refrigeración.

El uso de energía solar para enfriamiento de recintos o acondicionamiento de aire tiene atractivo porque hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento y por la posibilidad de usar una parte de todo el sistema de calentamiento solar para el acondicionamiento del aire. Se han propuesto varios sistemas básicos para el acondicionamiento de aire por energía solar, entre ellos los sistemas de deshumectacion y de enfriamiento por absorción de calentados por el sol.

Un esquema de deshumectador activado por el sol, en el cual como desecante se usa trietilenglicol, es el que la figura 4. El aire que ha de circular en el espacio acondicionado se deshumedece en una cámara de rociado donde se pone en contacto con el trietilenglicol concentrado y frío.

La solución de glicol absorbe humedad del aire y vuelve a circular por cambiadores temidos adecuados hasta una cámara de rociado y despojo donde se pone en contacto con el aire calentado por el sol y se seca para volver a circular hacia el absorbedor de la corriente de aire que circula hacia la casa y se devuelve a la atmósfera en el aire calentado por el sol que atraviesa la cámara de despojo. Puede usarse un refrigerante de evaporación para enfriar el aire seco. Este tipo de unidad seria útil e regiones de humedad relativamente alta.

Se ha propuesto el uso de un sistema de refrigeración mecánico en el que trabajo de compresión se hace por un motor que funciona por la energía del sol, y en el cual el acondicionamiento del aire o del refrigerante seria de diseño convencional. Estos sistemas tiene el inconveniente de que se necesita conversión de energía calórica a mecánica. Otro método es el uso de calor en los refrigerantes de tipo de absorción. La figura 5 es un diagrama de un ciclo posible para refrigeración por absorción de un sistema de tipo solar. la energía del sol se usa para calentar un fluido que circula por un generador o rehervidor de la unidad de refrigeración por absorción. La unidad de absorción funciona de modo corriente, como en acondicionador de aire por gas de Servel, con las modificaciones necesarias en el diseño según el nivel de temperatura de que se puede disponer con los colectores que se usan. También seria posible usar el colector solar





como rehervidor o generador y evitar de este modo el uso de un fluido intermedio para la transferencia de calor y de u cambiador térmico.

Hornos solares

Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidos con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de este modo poder calentar "blancos" a niveles altos de temperatura. El limite de temperatura que puede obtenerse con un horno solar esta determinado por el segundo principio de la termodinámica como la temperatura de la superficie del sol, esto es 6000 ºC, y la consideración de las propiedades ópticas de un sistema de horno limita la temperatura máxima disponible. Se han usado hornos solares para estudios experimentales hasta 3500 ºC y se han publicado temperaturas superiores a 4000 ºC. Las muestras pueden calentarse en atmósferas controladas y en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo si así se desea.

El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en n punto focal los rayos que entran en el reflector paralelamente al eje.

Como el sol comprende un ángulo de 32', aproximadamente, los haces de rayos no son paralelos y la imagen en el foco del receptor tiene una magnitud finita. Como regla empírica, el diámetro de la imagen es aproximadamente la razón de longitud focal/111. La longitud focal determina el tamaño de la imagen y la abertura del reflector la cantidad de energía que pasa por el área focal para una velocidad dada en incidencia de radiación directa. El cociente entre la abertura y la longitud focal es, pues, una medida de flujo de energía disponible en el área focal y con arreglo a este flujo se puede calcular una temperatura de cuerpo negro.

La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de heliostatos, o espejo plano móvil, para llevar la radiación solar al reflector parabólico. esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario en posición vertical, con lo cual se pueden colocar aparatos para atmósfera controlada y movimiento de muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. El poder de reflexión del heliostato varia de 85 a 95% según su construcción, por lo que resulta para el horno una perdida de flujo del 5 al 15%, y la disminución correspondiente a las temperaturas que se alcanzan. La tabla III muestra algunas propiedades de cuatro hornos solares.

Se construyen hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio, cobre o de otros elementos y se han construido hornos mas grandes de múltiples reflectores curvos.

El reflector o blanco usado en los hornos solares puede ser de varias formas. Las sustancias pueden fundirse en si mismas en cavidades de cuerpo negro, encerrarse en envoltura de vidrio o de otra materia transparente para atmósferas controladas, o introducirse en un recipiente rotatorio "centrifugo".





a b c d

Material del espejo cobre vidrio aluminio vidrio

Superficie de reflexión rodio plata aluminio plata

Abertura, a 1.524 m. 2.0 m. 3.05 m. 10.67 m.

Longitud focal, f 66 cm. 86.1 cm. 86.4 cm. 6.0 m.

Cociente, a/f 2.31 2.32 3.53 1.78

Reflector auxiliar ninguno heliostato ninguno heliostato

Diámetro de la imagen, calculado 6.1 mm 7.6 mm 4.9 mm. 53.3 mm.

Radiación reflejada al blanco, Kw, calculada suponiendo incidencia directa de 0.8 Kw./m2

1.30 1.94 4.67 54.0

La medición de las temperaturas del blanco en los hornos solares se hace por fusión de sustancias de punto de fusión conocidos y por medios pirometricos ópticos o de radiación.

Se usan hornos solares en gran variedad de estudios experimentales, entre ellos, la fusión de materiales refractarios, la realización de reacciones químicas e investigación de las relaciones de fase en sistemas de alto punto de fusión como sílice alúmina.

La estabilización del oxido de circonio refractario por adición de pequeñas cantidades de CaO en recipientes centrífugos es uno de los muchos trabajos publicados por Trombe, quien también ha eliminado flúor de mezcla de fosfatos por calentamiento en un horno en presencia de sílice y vapor de agua, según la reacción:

[Ca3(PO4)2]3.CaF2 + xSiO2 +H2O 3 Ca2(PO4)2 + (SiO2)x.CaO + 2HF

Se ha preparado, con buen rendimiento, oxido de circonio calentando silicato de circonio a 1400 ºC con carbonato de sodio, Según la ecuación:

ZrSiO4 + 2Na2CO3 Na4SiO4 + 2CO2 + ZrO2

Entre otros usos propuestos para los hornos solares figuran los experimentos de pirólisis instantánea en investigación química inorgánica y orgánica y estudios geoquimicos de rocas y minerales.





CARACTERÍSTICAS DE CÉLULAS PARA CONVERSIÓN SOLAR

células de silicio

Coeficiente de absorción en función de la longitud de onda

La brecha de energía , por la que se calcula la eficiencia teórica de conversión de materiales voltaicos, determina la absorción espectral característica del material en la región de absorción fundamental. El silicio tiene un corte de absorción en 1.2 u con fuerte aumento en el coeficiente de absorción hacia longitudes de onda mas larga. Esta característica se ve en la figura 10. La región fundamental es la región sensible de la célula de silicio.

Respuesta espectral.

Por las características de absorción del silicio se ve que los fotones con energía de 1.02 e.v. o mas grande, pueden producir pres hueco-electron. Sin embargo, la energía excedente de 1.02e.v. no se usa en el proceso de conversión de energía. La respuesta espectral de la célula fotovoltaica de silicio se da en la figura 11.

La curva A es el rendimiento de energía medido para intensidades iguales de radiación débil, en función de la longitud de onda. La sensibilidad máxima se ha tomado arbitrariamente como unidad. La curva C es el producto de las curvas A y B, reducidas de nuevo a la unidad para la sensibilidad máxima. Esta curva muestra cual es la porción útil de la radiación solar mas útil para la célula.

CONCEPTOS BASICOS RECURSOS ENERGETICOS

El mundo moderno basa su desarrollo en el consumo creciente de energía en sus distintas variedades: petróleo, gas, carbón, electricidad, etcétera.

Cuando en la década del 70 los países productores de petróleo llevaron el valor del mismo a precios imprevistos, los países consumidores tomaron conciencia de que era necesario buscar otras fuentes de energía que no fueran las mencionadas más arriba, ya que las mismas se clasifican dentro de las "no renovables", o sea que con el correr del tiempo se van a extinguir.

En la actualidad, el mundo depende del petróleo en un 46%, del carbón en un 27% y del gas en un 17%, lo que hace que la dependencia total de los combustibles fósiles llega al 90%, siendo el 10% restante aplicable a las energías hidroeléctricas, nuclear, etcétera.

Con el aumento excesivo del costo de estas energías no renovables, también se tomó conciencia de un mejor aprovechamiento y de un uso racional y cuidadoso de la energía.

En el curso de las dos últimas décadas, se intensificó el empleo del petróleo y del gas, y sus reservas comienzan a decrecer rápidamente, calculándose su extinción a mediados del siglo 21.





Simultáneamente comenzará el uso más intensivo del carbón, cuyas reservas se calculan hasta el siglo 28.

Nos encontramos pues ante la necesidad de reactivar el uso de las energías renovables, o sea, de las energías que nunca se extinguen tales como la solar, la geotérmica, la biomasa, etcétera.

Naturalmente que la más importante de todas ellas es la energía solar, o sea, la energía suministrada por el sol, que también se manifiesta en la producción del viento, en el movimiento de las olas, etcétera.

El gráfico siguiente muestra el empleo directo e indirecto de la energía solar.

El tema del uso directo o natural de la energía solar lo explicaré en forma muy breve.

a. Energía del viento

El uso de la energía del viento para bombeo de agua de pozo (molinos) y para producir electricidad en pequeña escala es un hecho que se remonta a muchos años.

En los últimos tiempos se desarrolló con amplitud la tecnología de la turbina de viento para la obtención de electricidad de la energía eólica, sin que ello requiera tecnologías especiales, pero sí se requiere lugares adecuados donde el viento tenga cierta intensidad, regularidad y sobre todo persistencia, y finalmente que la energía producida pueda ser consumida, acumulada o entregada a la red de la compañía de electricidad. En estos casos se interconecta la energía eléctrica producida con las redes generales de electricidad y se puede comprar dicha energía cuando el usuario no la consume.





Aquí, en Israel, el Servicio Meteorológico está haciendo estudios de la persistencia e intensidad de los vientos en los lugares más adecuados para instalar lo que se define como "Granja de Turbinas de Viento" y aprovechar así su energía en forma racional.

b. Conversión biológica - Fotosíntesis

Se conoce ampliamente el fenómeno de la fotosíntesis, que es la propiedad que tienen las plantas para transformar las sustancias simples, como agua, gas carbónico, nitratos, etc., en sustancias complejas (lípidos, glúcidos, etc.) merced a la intervención de la luz y en particular de la luz solar.

En principio, es posible cultivar plantas adecuadas para generar energía por conversión biológica, y lo que hoy se conoce como biomasa es el reciclamiento de los procesos de desechos de productos vegetales para la obtención de energía.

c. Conversión de la energía solar por medio de océanos

Los océanos ocupan el 71% de la superficie del globo terrestre y constituyen un enorme depósito natural de almacenamiento de energía solar debido:

I. Al gradiente de temperatura producido por el sol según la profundidad que puede llegar de 20 a 25º C, y su aprovechamiento depende de la forma de extracción de ese calor almacenado, que se puede hacer mediante intercambiadores de calor;

II. La energía cinética de las olas

DISPONIBILIDAD DE LA ENERGIA SOLAR

La intensidad de la energía radiante del sol en el exterior de la atmósfera terrestre es de 1353 W/m2 como promedio anual. Esta energía cuando atraviesa la atmósfera va perdiendo intensidad debido a causas tales como la absorción de radiación infrarroja por el vapor de agua, la polución atmosférica, etcétera.

Sobre la superficie terrestre, su valor total se reduce de 69 x 1016 watts a 17 x 1016 watts de radiación solar.

Si se supone que una persona necesita para su uso como promedio 10 Kw = 104 watt, empleando solamente la energía solar, ella alcanzaría para satisfacer, aun con un rendimiento del 10%, a una población de ciento setenta mil millones de habitantes, población veinte veces más grande que la que habría en el año 2000.

Este cálculo, que es real y optimista, tiene sin embargo limitaciones técnicas y económicas de difícil solución. Una de ellas es que para la recolección de la energía solar en gran escala se requieren grandes áreas, y otra limitación es que los mejores lugares de radiación solar en el mundo son los lugares remotos y desérticos, tal es el caso de Arizona, Arabia Saudita, centro de





Australia, Sudáfrica, Texas, etc., donde no existe posibilidad de desarrollo industrial y agrícola, donde hay escasez de agua y donde su aprovechamiento requiere medios de transporte adecuados hacia las zonas industrializadas.

Una tercera limitación es la intermitencia de la radiación solar, variable durante el día y durante los distintos meses del año, siendo nula por la noche. Todo ello hace que se requieran formas especiales de almacenamiento del calor recibido para poderlo aprovechar en el momento necesario.

FORMAS DE ALMACENAMIENTO

No existe una forma general de almacenamiento de la energía solar. Para temperaturas de calentamiento de bajo valor, el calor producido puede almacenarse en depósitos de agua bien aislados, o en recintos con piedras que reciben el aire caliente que proporciona la energía solar. Si se trata de altas temperaturas se pueden emplear metales líquidos, sales fundidas, descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno y luego recomponerla, etcétera. Si se trata de energía eléctrica, se puede almacenar en baterías de acumuladores tipo alcalino, o se puede emplear dicha energía eléctrica obtenida del sol durante el día, para la elevación de agua que luego se puede convertir en energía hidráulica a emplear durante la noche, en días nublados, etcétera.

CONVERSION TERMICA

La transformación de la radiación solar en energía térmica, ya sea en forma de agua caliente, aire caliente, vapor de agua, etc., se hace por intermedio de los llamados colectores solares que pueden clasificarse en los siguientes tipos:

a. colector solar plano

b. colector solar al vacío

c. colector solar concentrador parabólico

d. heliostatos

e. piletas solares

a. Colector solar plano

El principio fundamental de funcionamiento de un colector solar se basa en el aprovechamiento de la propiedad que posee una superficie revestida de negro o de una sustancia de material selectivo, que absorbe la radiación solar en un 90% y la emite en menos de un 10 por ciento.





En particular, el colector solar plano está formado por una superficie metálica plana que lleva adherida a ella una serie de tuberías de cobre, estando todo el conjunto revestido de pintura negra absorbente selectiva. Por las tuberías circula el agua a ser calentada por la radiación solar. Para evitar las pérdidas de calor por convección (pérdidas térmicas) se coloca una o dos cubiertas de vidrio entre la superficie de absorción y el medio ambiente; que además de reducir las pérdidas de calor, protegen al conjunto de las condiciones atmosféricas. Para evitar la pérdida de calor por conducción, el conjunto lleva en su parte posterior una capa de material aislante térmico que puede ser: poliuretano expandido, lana de vidrio, fiberglass, etcétera.

El rendimiento de un colector solar, en general, se deduce comparando la cantidad de calor que se obtiene del agua y la cantidad de calor que recibe el colector de la radiación solar, o sea:

Si Qr es la cantidad de calor recibida de la radiación solar, y Qu es la cantidad de calor que se obtiene del agua, el rendimiento será:

Desarrollando las expresiones de Qr y Qu en función de las temperaturas del agua, de la temperatura ambiente, de la radiación recibida, y de los elementos que provocan las pérdidas ópticas: transmitancia de la superficie donde incide el rayo solar, absortancia efectiva de la tubería por donde circula el líquido, reflectancia especular, fracción de radiación interceptada por el receptor; y las pérdidas térmicas: coeficiente de transmisión del calor, masa del líquido, temperaturas inicial y final del líquido y temperatura ambiente; se llega a una expresión del rendimiento siguiente:





Otra forma de reducir las pérdidas térmicas y obtener simultáneamente una reducción de las pérdidas ópticas, es colocar entre las dos placas de vidrio, placas verticales de vidrio o plástico, constituyendo así el conjunto una placa tipo nido de abeja. De esta forma se reducen las pérdidas térmicas por convección, y en cuanto a las reflexiones y refracciones producidas en las placas horizontales son atrapadas por las verticales, recuperándose así parte de las pérdidas ópticas.

También para mejorar el rendimiento es emplear pinturas especiales selectivas, electroplateado de las superficies con cromo negro o níquel negro, este último desarrollado por un prestigioso físico israelí, el doctor Tabor. La característica de estos dos elementos es la siguiente: - Cromo negro: sobre una superficie de óxido de cobre o nitrato de cobre se hace el cromado sobre una capa previa de niquelado.

Las características son: selectividad = 0.95, emisividad = 0.10 a 0,15

- Níquel negro: sobre una superficie de acero con contenido de níquel y azufre se hace el niquelado. Posee mejores características de selectividad (0.96) y emisividad (0.07), y es ideal para su uso en climas secos, habiendo aún dudas sobre su resistencia a la humedad.

b. Colector al vacío

La idea de hacer el vacío entre la cubierta de vidrio y la placa receptora resultó muy atractiva por cuanto ello reduce las pérdidas por convección a cero, y si a ello le agregamos una superficie de absorción selectiva, también se pueden reducir casi a cero las pérdidas por radiación, con lo cual se consigue un colector ideal.

Sin embargo, el conseguir un vacío entre las placas de un colector plano es muy difícil técnicamente, por cuanto hay que tener un soporte rígido del espacio entre las placas (para ello el panel de abeja es ideal) y un sellado hermético a veces imposible de practicar.

Habiéndose conseguido y estando disponible la tecnología para la fabricación de tubos para iluminación fluorescente, se han desarrollado dos tipos de colectores el vacío tubulares, producidos por Corning y Owens-Illinois, que pueden apreciarse en el dibujo siguiente:





El desarrollado por Corning usa un tubo de vidrio de gran diámetro que rodea a una superficie plana selectiva. En cambio, el de Owens-Illinois emplea también un tubo de vidrio grande pero en lugar de una superficie plana selectiva, usa un tubo concéntrico de menor diámetro que lleva a su alrededor la superficie selectiva.

Según puede apreciarse en la figura 5 donde se observa una mejora importante en las curvas de rendimiento si se las compara con las del colector plano, sobre todo en la visible disminución de las pérdidas térmicas, pudiéndose así lograr altas temperaturas (cercanas a los 100º C) con un rendimiento importante





El inconveniente de este tipo de colectores es su costo elevado y su mantenimiento difícil, por lo cual no tienen mucha aceptación en el mercado. También la firma General Electric desarrolló un colector similar y de rendimiento importante, muy parecido en sus características al de Owens-Illinois.

c. Colectores concentradores

El principio de los colectores concentradores es el de concentrar mediante procedimientos ópticos la energía que irradia el sol antes de su transformación en calor. Así, una radiación solar que entra a un colector concentrador a través de una superficie determinada es reflejada, refractada o absorbida por una superficie menor, para luego ser transformada en energía térmica. Esto no ocurre en el colector plano donde la transformación de la energía solar en energía térmica se efectúa en la misma superficie que recibe la radiación.

La ventaja importante de este tipo de colector es ante todo la reducción de las pérdidas térmicas en el receptor, pues al ser éste de menor superficie habrá menos área para la radiación del calor y por lo tanto el líquido que circula por el receptor puede calentarse a mayores temperaturas con un rendimiento razonable y a un costo menor. Claro está que las reflexiones y refracciones extras de la radiación solar hacen aumentar las pérdidas ópticas y entonces las curvas representativas del rendimiento, parten de ordenadas en el origen menores que las de un colector plano, pero no tienen la pendiente pronunciada, característica de estos últimos.





Históricamente, la idea de concentrar la radiación solar para obtener más energía, fue anterior a la de los colectores planos. Así, por ejemplo, los caldeos, que se distinguieron por la astronomía, crearon sus lentes fundiendo cuarzo mediante la concentración de rayos solares. En 1695 en Florencia fue fundido un diamante empleando energía solar concentrada y el famoso químico francés Lavoisier, ya en el siglo XVIII, hacía sus experiencias químicas a alta temperatura mediante el empleo de lentes concentradores.

Se define como coeficiente de concentración a la relación:

Los colectores concentradores, de acuerdo con el valor de C, se dividen en dos tipos:

- de alta concentración

(C > 10)

Son los que, mediante dispositivos especiales y precisos de enfoque y seguimiento del sol, logran en el receptor una alta densidad de energía;

- de media y baja concentración

(2 < C < 10)

Son los que no requieren dispositivos especiales de enfoque y tampoco un seguimiento permanente del sol, sino la modificación de su posición algunas veces por año, que dependerá del valor de C. Así, por ejemplo, para

C = 2 a 3 4 veces por año C = 3 a 6 8 veces por año

C = 10 80 veces por año.





Los colectores concentradores pueden ser de varios tipos:

I. Parabólicos (por reflexión)

El colector está formado por una superficie reflectora (espejo, aluminio anodizado, etc.) de forma parabólica, que recibe los rayos solares y que merced a la propiedad de la parábola que dice que cuando los rayos son paralelos al eje de la misma se concentran en el foco de ella, dichos rayos inciden en un elemento receptor ubicado en el foco, que contiene el fluido a calentar.

II. Parabólicos (por refracción)

El colector está formado por una lente que recibe los rayos solares paralelos y los refracta concentrándolos en un punto, donde se encuentra el elemento receptor que contiene el fluido a calentar. III. Parabólico compuesto (C.P.C.) El colector está formado por dos parábolas dispuestas de tal manera que ambos ejes forman con la vertical el mismo ángulo f. Se demuestra que existe una vinculación entre la concentración C del colector y dicho ángulo, mediante la expresión:

y todos los rayos solares que inciden con un ángulo respecto de la vertical y que se encuentran dentro de dicho valor de f tienen la particularidad de llegar por una o dos reflexiones al receptor ubicado en la parte inferior. Este receptor puede ser plano horizontal, plano vertical, cilíndrico, etc.





figura7

Este ángulo f recibe el nombre "medio ángulo de aceptancia".

En la Figura 7 se ve en corte y en vista un C.P.C. fabricado en Israel, donde se puede apreciar la superficie reflectora interior de aluminio anodizado, que en la parte inferior tiene la forma de trapecio (también puede tener la forma de una W). En la parte superior hay un vidrio que permite el paso de la radiación solar, que en forma directa o luego de una o dos reflexiones incide en una tubería metálica con revestimiento selectivo por donde circula el fluido a calentar. Rodea a esta tubería una manga de plástico especial que hace disminuir las pérdidas térmicas por convección en el espacio entre la tubería y el vidrio. Todo el conjunto está cerrado por una cubierta de chapa de hierro galvanizada y entre ésta y el aluminio reflectivo hay un aislante que puede ser poliuretano expandido, lana de vidrio, etcétera. En la Figura 8 se indica la curva obtenida haciendo el ensayo respectivo de rendimiento, y en la Figura 9 su comparación con los colectores solares planos.

figura 8





IV. Parabólico con receptor de foco lineal

figura10 Colector Parabólico Receptor de Foco Lineal

Se trata de un colector formado por un segmento de parábola cilíndrico que tiene su foco constituido por una tubería cilíndrica de metal por la cual circula el líquido a calentar o evaporar. Rodea a esta tubería metálica otra de vidrio, y entre ambas se ha efectuado el vacío, para disminuir las pérdidas térmicas por convección.

Este colector requiere un seguimiento permanente del sol por cuanto los rayos de la radiación solar deben ser permanentemente paralelos al eje de la parábola. Este tipo de colector fabricado en el país por una prestigiosa firma, ha sido instalado en instalaciones muy grandes en los Estados Unidos de América, para la producción de energía eléctrica y se halla conectado con las redes de la Compañía de Electricidad de la región donde se colocó.

figura11 y 12 Sistema de Receptor Central con Foco Lineal

V. Segmentos parabólicos con receptor de foco lineal En los dibujos indicados se presentan dos sistemas que reciben la energía solar y la reflejan a un receptor central del tipo lineal. En el primer caso se trata de una serie de colectores parabólicos individuales enfocados a un receptor común.

En el segundo caso, que ustedes apreciarán directamente en el Kibutz Nir Eliahu, se trata de segmentos de espejos parabólicos accionados simultáneamente, de modo que en todo momento los rayos reflejados inciden en un receptor formado por una tubería metálica con revestimiento selectivo y rodeada de una tubería de vidrio.





VI. Plato parabólico con receptor de foco puntual

Se trata de uno de los pocos tipos de colectores concentradores tridimensionales y por lo tanto deben tener seguimiento solar en las dos direcciones. El receptor está en el foco del plato parabólico y es equivalente a un punto. A él a veces se conecta un motor Stirling.

d. Heliostatos

figura14 Heliostato (vista frontal y trasera)

Se define así a un espejo plano o ligeramente parabólico de gran superficie (40/50 m2), a veces también formado por varios espejos, colocados sobre una estructura metálica definida que le permite un movimiento universal, para posibilitar así el seguimiento solar en ambas direcciones: N-S y E-O.

Los heliostatos se emplean para formar sistemas, en cantidades grandes (30, 40, etc.), formando un campo que tiene la forma de gradas de un anfiteatro, y la radiación solar recibida en cada uno de ellos es reflejada a una torre central receptora, donde la energía solar recibida se la transforma en energía térmica para diversos usos. En el dibujo siguiente se aprecia una instalación de heliostatos. Varios proyectos de este tipo se están llevando a cabo en el mundo y en Israel. En California se están instalando 1.800 heliostatos que permitirán obtener una potencia eléctrica de 10 MW. El proyecto se lleva a cabo en una superficie de 30 hectáreas. Algo similar se realiza también en España y

Alemania. En Israel, el Instituto Científico Weizman de Rehovot está por completar una instalación de 2,500 m2 de heliostatos (56 de 7.5 x 6 m cada uno) que permitirán generar una potencia eléctrica de 3 MW. El profesor Dostrovsky que se ocupa de este proyecto asegura que si los resultados de esta primera instalación resultaren satisfactorios, se harán de inmediato otras 14 instalaciones en distintas partes del país. En el receptor se piensa obtener temperaturas





del orden de los 600 °C que permitirán su aplicación a energía eléctrica y química.

e. Piletas solares

Bajo condiciones no controladas, el calor solar que se deposita en la masa de agua de una pileta, se disipa a la atmósfera a medida que las capas más calientes, y por ello menos densas, suben a la superficie debido a las corrientes de convección.

Si en cambio se modifica la composición salina del agua de la pileta, haciendo que se componga de varias capas de distinta salinidad: solución diluida de densidad 1.05 en la superficie y solución saturada de 1.3 en el fondo, o sea de varias capas de densidad variable y creciente desde la superficie al fondo, se impide la aparición de corrientes de convección desde el fondo a la superficie al calentarse el agua por efecto de la radiación solar. En consecuencia, la radiación solar que penetra hasta el fondo logra calentar la capa inferior hasta 90 °C, mientras que la capa superior no pasa de 30 °C. No habiendo convección y siendo el agua mala conductora del calor, se acumula en las capas inferiores energía térmica en forma de agua caliente, que puede extraerse directamente mediante tuberías, o poniendo un intercambiador de calor adecuado.

Este es el fundamento de una pileta solar, que son piletas artificiales de superficie variable y de una profundidad que varía de 1 a 3 metros. El fondo de la pileta está pintado de negro.

Las ventajas del empleo de la pileta solar como colector son:

1. Bajo costo inicial.

2. Empleo de materiales no degradables con el medio ambiente.

3. Sistema propio de acumulación de calor, que puede aprovecharse cuando no hay sol.

Sus inconvenientes son:

1. Necesidad de grandes extensiones de terreno, para disminuir los efectos laterales.

2. Rendimiento térmico muy bajo (del orden del 10%).

3. Con el tiempo se produce difusión de las sales que obliga a separar el exceso que aparece en

las capas superiores.

4. Acumulación de desperdicios en la parte superior.

5. Eventual formación de olas que alteran el gradiente de salinidad. Ello obliga a colocar redes

rompeolas.

6. Requiere un mantenimiento más riguroso.





7. Se deben hacer en terrenos planos, en zonas cercanas al mar, en suelos de bajo contenido

biológico y sin napas freáticas altas.

Figura 15 Sistema de Receptor Central con Foco Puntual

Ustedes verán su aplicación en Israel, en la zona de Ein Bokek (vecina al Mar Muerto), donde hay una instalación de 150 KW equipada con una turbina especial acoplada a un generador que produce la energía eléctrica. En ese mismo lugar se dio comienzo a una instalación de 5 MW que proveerá de energía eléctrica a toda la zona de hoteles del lugar. La ventaja de la ubicación de estas piletas solares es la cercanía al Mar Muerto que como se sabe su agua posee una concentración salina muy alta.

5. Conversión eléctrica - Células fotovoltaicas

Los colectores solares concentradores permiten la obtención de energía eléctrica en forma indirecta o sea aprovechando la energía térmica para generar vapor que acciona una turbina acoplada a un generador eléctrico pero hay otros elementos que efectúan la





transformación de la energía solar en energía eléctrica en forma directa. Estos elementos son las células fotovoltaicas, de las cuales daré una breve explicación, pues en otra conferencia se verá ello con más amplitud.

El principio de funcionamiento de la célula fotovoltaica es conocido desde hace muchos años, pero su desarrollo y aplicación se hizo evidente con el desarrollo de los satélites artificiales y los viajes espaciales que aprovechan la energía solar para su actuación.

El rendimiento de una célula fotovoltaica es del 12 al 15% y su costo en sus comienzos de uso que era de 100 U$S/W ha bajado sensiblemente en los últimos años y continuará bajando aún más si se consiguen las siguientes condiciones:

a. que se produzcan paneles fotovoltaicos del oden de los KW o MW;

b. que se desarrolle una planta industrial multimegawatt;

c. que se resuelva eficazmente el problema del almacenamiento en base a batería de

acumuladores especiales.

6. Aplicación de la energía solar para calentamiento de agua en viviendas, hoteles, hospitales, industrias, etcétera

a. Vivienda familiar

1. Sistema a termosifón





figura16 Unidad simple a termosifón

Este sistema a termosifón se emplea cuando el tanque de acumulación del agua caliente y el colector solar se encuentran en la azotea o terraza el edificio.

El colector que recibe los rayos solares calienta el agua que circula por las tuberías que posee, la que por convección penetra al tanque en la parte superior y sale por la parte inferior para completar el ciclo. El agua de consumo sale por una tubería independiente, existiendo además otra tubería que hace ingresar agua de la red de alimentación, para reponer la que se ha consumido.

Estos sistemas funcionan bien cuando hay radiación solar y mantienen durante un tiempo el agua caliente en el tanque cuando desaparece aquélla. Cuando la temperatura del agua en el tanque baja a un cierto valor, un termostato hace operar un calefactor eléctrico que la hace aumentar y mantener así caliente el agua de consumo.

2. Sistema a circulación forzada

figura17 Circuito abierto

Cuando el tanque de acumulación del agua caliente se encuentra en el interior de la vivienda y el colector solar en la azotea o terraza, la circulación del agua no puede hacerse por termosifón, sino que requiere forzosamente el uso de una bomba de circulación que se ubica junto al tanque acumulador.

Aquí pueden presentarse dos variantes: FIGURA 17

a. A circuito abierto

figura18 Sistema solar para calentamiento de agua en viviendas colectivas

En este caso el agua de calentamiento por la energía solar se mezcla con el agua de consumo, en forma similar al caso del termosifón.





b. A circuito cerrado

En este caso, el tanque de acumulación posee un doble revestimiento (doble camisa) por cuyo espacio circula el agua de calentamiento. Esta doble camisa cumple la función de intercambiador de calor, y por lo tanto el agua de consumo se calienta en forma indirecta.

En ambas variantes existe también el termostato que pone en marcha el calefactor eléctrico para mantener la temperatura del agua. También en ambos casos existe la entrada de agua de la red de alimentación para compensar el consumo.

La ventaja del sistema de circuito cerrado es que las tuberías del circuito de agua de calentamiento no sufren del proceso de incrustaciones por cuanto el líquido que circule por ella no está en contacto con la atmósfera.

b. Viviendas multifamiliares

figura19 Sistema para calentamiento de agua en viviendas colectivas

Pueden considerarse dos casos:

I. Viviendas colectivas o en propiedad horizontal (Edificios de pisos)

En todos estos casos, los colectores solares están en la azotea del edificio y el tanque de acumulación, cuando es común a todos los departamentos, se encuentra en el sótano, lo más cercano posible a la entrada de agua de la red.

En este caso también existe la posibilidad de mezclar el agua caliente de consumo con la que se calienta por la radiación solar FIGURA 18 o independizar ambos circuitos, para lo cual el tanque debe tener intercambiador de calor o ser de doble camisa. FIGURA 19





Una tercera variante, que tiene aplicación cuando se trata fundamentalmente de edificios nuevos, es incluir en cada vivienda un tanque individual con intercambiador de calor tipo doble camisa FIGURA 20.

De esta manera cada vivienda posee su consumo independiente de las restantes. Además todo el sistema posee una tercera tubería que hace equilibrar el recorrido de las tuberías de alimentación, proporcionando así agua caliente a la misma temperatura a cada uno de las distintas viviendas.

II. Viviendas individuales dispersas (normalmente al mismo nivel)

figura20 Sistema para calentamiento de agua en viviendas colectivas

Este tipo de viviendas que se presentan en los kibutzim, moshavim, countries, etc., tienden a emplear la energía solar mediante el sistema centralizado de colectores, que presenta así las ventajas siguientes:

a) el uso de un solo tanque de acumulación, que facilita así el mantenimiento y control de las instalaciones;

b) se evita el empleo de tuberías largas desde las fuentes centrales de alimentación (calderas, calentadores, etc.) con las consiguientes pérdidas térmicas en tuberías.





ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA





En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas

BIBLIOGRAFÍA

• Acosta Rubio, José. Energía solar: utilización y aprovechamiento. Madrid: Editorial Paraninfo, 1983. Obra de carácter divulgativo; incluye bibliografía.

• Centro de Estudios de la Energía. El sol, un viejo conocido: introducción a la energía solar. Madrid: Centro de Estudios de la Energía, 1982. Manual breve sobre algunas aspectos de la energía solar.

• Centro de Estudios de la Energía Solar. La energía solar: aplicaciones prácticas. Sevilla: Promotora General de Estudios, 1993. Obra sobre las distintas aplicaciones de la energía solar; incluye bibliografía.

Fuente : Tesis de Postgrado Energias Renovables / Madrid España 2006 CIEMAT Ing. Ines Micaela Santana Argentina

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