ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Introducción Aunque en los últimos años la mayor parte de la investigación sobre el uso de la energía solar ha estado enfocada en sistemas fotovoltaicos, en los que la luz solar se convierte directamente en electricidad, hay muchas aplicaciones de energía solar térmica, como calefacción, secado y destilación de agua. Muchos sistemas solares térmicos han existido durante siglos y son bien conocidos. Estos sistemas han establecido sus bases de producción en muchos países con alta incidencia solar. Al contrario que los sistemas fotovoltaicos, la producción puede llevarse a cabo a pequeña escala sin usar costosos equipos. Existen sistemas térmicos solares para la producción de electricidad (normalmente a gran escala), pero el presente informe no cubrirá esos sistemas. Los sistemas solares que dependen completamente de la energía solar absorbida y en los que no existen componentes móviles, se conocen como sistemas solares pasivos, mientras que los sistemas solares activos pueden tener alguna entrada adicional, como por ejemplo una bomba para hacer funcionar el sistema. Naturaleza y disponibilidad de la radiación solar La insolación es la cantidad de radiación solar recibida por unidad de superficie horizontal, medida en W/m2 (Merriam-webster.com). La Tierra gira alrededor del sol con su eje inclinado en un ángulo de 23,5 grados. Es esta inclinación lo que da lugar a las estaciones. La fuerza del sol depende del ángulo con el que llega a la superficie de la tierra, y como este ángulo cambia durante el año, la insolación solar cambia. De esta forma, en los países del hemisferio norte, en pleno invierno, cuando el sol está bajo en el cielo en el sur, la radiación llega a la superficie terrestre de forma oblicua y la energía solar es baja. Los dos fenómenos descritos explican la variación de radiación solar para distintas estaciones y latitudes. 23.5° max Invierno Verano Figura 1: El ángulo de la tierra con respecto al sol cambia a lo largo del año. Ilustración: Practical Action / Neil Noble La radiación solar total que se recibe en un día puede variar desde 0,5 kWh/m2/día en el invierno del Reino Unido hasta 5 kWh/m2 en el verano del Reino Unido y puede alcanzar 7 kWh/m2 en regiones desérticas de Nigeria (Solar Water Heating in Nigeria, 2006) o del Sahara en Argelia (Survey of Energy Resources, 2010). Muchas regiones tropicales no tienen grandes variaciones entre una estación y otra y reciben una media de 6 kWh/m2 por día a lo largo del año. El diagrama que se incluye más abajo muestra los porcentajes aproximados de radiación directa y difusa que llega a la superficie de la tierra. Como la mayor parte de la radiación recibida es radiación directa, factores como la climatología, la cantidad de nubes y la hora del día hacen que la cantidad de radiación que llega a la superficie terrestre varíe de forma importante (Powerfromthesun.net y es.libros.redsauce.net/index.php?pageID=12). Es Practical Action, The Schumacher Centre, Bourton on Dunsmore, Rugby, Warwickshire, CV23 9QZ, UK T +44 (0)1926 634400 | F +44 (0)1926 634401 | E infoserv@practicalaction.org.uk | W www.practicalaction.org ______________________________________________________________________________________________ Practical Action is a registered charity and company limited by guarantee. Company Reg. No. 871954, England | Reg. Charity No.247257 | VAT No. 880 9924 76 | Patron HRH The Prince of Wales, KG, KT, GCB Energía Solar Térmica Practical Action importante resaltar que ambas; radiación directa y difusa, son útiles, pero la radiación difusa no se puede concentrar. 40km sobre la superficie 100% dispersada Scattered to Direct, beam insolation hacia spaceel espacio 1. -11% Absorbed into bsorbida en 1 -30% la atmósfera the atmosphere 5-26% Radiación Scattered, dispersa diffuse o difusa insolation 8 -33% La tierra The Earth Figura 2: Dispersión de la radiación solar a través de la atmósfera (http://www.powerfromthesun.net/) Aunque pueda ser obvio, es útil remarcar que el calentamiento de agua se producirá fundamentalmente durante el día. Sin embargo, la demanda de agua caliente puede ser durante la noche. Por eso, normalmente se necesitan tanques de almacenamiento de agua caliente. La insolación cambia a lo largo del día, a lo largo del año, y de unas regiones a otras. Estos cambios son un aspecto importante de la energía solar ya que influyen en el diseño del sistema y en la rentabilidad de la energía solar. La encuesta de recursos de energía (“Survey of Energy Resources”) del año 2010 elaborado por el World Energy Council es un documento útil que resume el nivel de aplicación de la energía solar en 43 países del mundo. El documento también indica el nivel de radiación que puede esperarse en general en esos países y puede ser útil para realizar una primera estimación. Los niveles de insolación a lo largo del mundo se pueden conseguir en revistas y libros, pero otra fuente útil es una herramienta desarrollada por la NASA y que puede usarse libremente. Abajo se incluyen imágenes generadas por esa herramienta que indican la variación global de la insolación. Radiación directa Noviembre de 2010 Febrero de 2011 Mayo de 2011 Agosto de 2011 2 Energía Solar Térmica Practical Action Figura 3: Ejemplos de la variación mensual de la radiación solar en un año (Página web del observatorio terrestre de la NASA, neo.sci.gsfc.nasa.gov) Esta herramienta de análisis permite investigar cualitativamente la variación de la insolación a lo largo del año en una región determinada. Se pueden comparar a la vez tres gráficos que representen la media diaria, la media de ocho días o la media de un mes y presentarlos de diferentes formas. Tanto una muestra puntual que indique la insolación de un punto concreto de la tierra, como un muestreo a lo largo de un recorrido (ver Figura 4), o un promedio de una región que se defina. Cualquiera de los tres métodos puede ser definido por el usuario. Se compara la Insolación media de tres meses distintos Comparación del variation in average nivel de insolación solar insolationwith a lo largo de distance across the un recorrido transect Recorrido elegido Transect specified for investigation para el análisis Interface interface Interactiveinteractivo of analysis tool de la herramienta Figura 4: Pantallazo de la herramienta de análisis de la radiación solar del Observatorio terrestre de la NASA. Cada lote de datos puede ser transferido al programa Google Earth. Esto puede usarse para obtener una impresión general de la distribución de la insolación global en un momento concreto. Figura 5: Datos del observatorio terrestre de la NASA visto en Google Earth 3 Energía Solar Térmica Practical Action Aplicaciones de la energía solar térmica La energía solar alcanza la superficie de la tierra como radiación de onda corta, es absorbida por la tierra y los objetos que hay sobre ella, que se calientan, y se re-irradia como radiación de onda larga. La obtención de potencia útil a partir de energía solar se basa en el principio de capturar la radiación de onda corta y evitar que se re-irradie de vuelta a la atmósfera. Para el almacenamiento de este calor atrapado se usa un líquido o sólido con una alta capacidad calorífica. En un sistema de calefacción por agua, éste será el fluido que circule a través del colector, mientras que en un edificio las paredes actuarán como masa térmica. Estanques o lagos también se usan en ocasiones para el almacenamiento estacional de calor. El cristal permite el paso de la radiación de onda corta a través de él, pero impide escapar a la radiación de onda larga. Si esta energía se usa para calentar agua con un panel colector, entonces la inclinación y orientación del panel son críticas para el nivel de energía absorbida y por lo tanto para la temperatura que alcanza agua. La superficie del colector debe estar orientada hacia el sol tanto como sea posible. La mayoría de los colectores solares para calentamiento de agua están fijados permanentemente al tejado de los edificios y no pueden ser ajustados. Los sistemas más sofisticados para la generación de potencia usan dispositivos de seguimiento para apuntar al sol a través del cielo durante el día. Hay muchos métodos disponibles para ayudar en el diseño del sistema y para predecir su rendimiento. La variabilidad de la fuente solar es tal que cualquier predicción exacta requiere técnicas analíticas complejas. Hay técnicas simples disponibles para un análisis aproximado. Calentamiento de agua El uso más común de la tecnología solar térmica es el calentamiento de agua para uso doméstico. Hay cientos de miles de sistemas domésticos de agua caliente distribuidos por el mundo, especialmente en áreas como el Mediterráneo y Australia, donde hay una gran insolación (energía total por unidad de superficie recibida del sol). En la actualidad, en países en desarrollo, los calentadores de agua domestica sólo se encuentran en las zonas más ricas de la comunidad. Figura 6: Calentadores solares de agua en Nepal. Foto: Practical Action El calentamiento de agua a bajas temperaturas (inferiores a 100°C) para usos doméstico y comercial se necesita en muchos países. Hay una gran variedad de calentadores solares de agua disponibles. El más simple es una tubería negra de plástico, que se llena de agua y se pone al sol para que el agua se caliente. Los calentadores de agua solares simples normalmente consisten en una serie de tuberías pintadas de negro, ubicadas en el interior de una caja aislada equipada con un panel de cristal frontal. Esto es lo que se conoce como colector solar. El fluido a calentar pasa a través del colector y luego entra en un tanque de almacenamiento. El fluido puede recircularse a través del tanque varias veces, hasta calentar el el fluido a la temperatura deseada. Existen dos configuraciones sencillas para ese tipo de sistemas, las cuales serán explicadas a continuación: • El sistema termosifón se basa en la tendencia natural del agua caliente a situarse por encima del agua fría. En estos sistemas el tanque está siempre ubicado en la parte 4 Energía Solar Térmica Practical Action superior del colector y conforme el agua se calienta asciende y es reemplazada por agua fría procedente de la parte inferior del tanque. Este ciclo continúa hasta que la temperatura del agua en el tanque iguala a la del panel. En aquellos lugares donde existe una red de suministro de agua, se utiliza la red para alimentar el sistema con agua fría a medida que el agua caliente es extraída para su uso. Para impedir que durante la noche, cuando la temperatura disminuye, ocurra lo contrario, en estos sistemas se suele utilizar una válvula antirretorno. Los sistemas de lazo abierto permiten que el agua que pasa por los paneles pueda almacenarse en el tanque de almacenamiento para su uso. Los sistemas de lazo cerrado son aquellos en los que el agua que circula por el panel solar es distinta al agua que se consume. Estos sistemas usan un intercambiador de calor. Esto significa que se puede añadir anticongelante al agua que fluye a través de los paneles, lo cual permite su utilización en climas fríos. Los sistemas atmosféricos se usan en aquellos lugares donde no hay red de suministro de agua para el tanque de almacenamiento. De forma que el agua que se toma del tanque de agua caliente se reemplaza con agua procedente de un tanque adicional de agua fría, situado sobre el anterior. Una válvula de rotura de presión permite alimentar el tanque de agua caliente cuando se necesita. Los sistemas atmosféricos pueden ser de lazo cerrado o de lazo abierto. Los sistemas solares discontinuos de calentamiento de agua se usan como sistemas sencillos para conseguir agua caliente. El sistema se llena de agua y se deja que se caliente. Cuando el agua se ha calentado se puede usar según se vaya necesitando, pero estos sistemas se tienen que rellenar manualmente. Fuente: Simple Solar Water Heater for Developing Countries A. Jagadeesh, Homepower, Número 76 www.homepower.com Calentador solar térmico de autoconstrucción http://www.terra.org/calentador-solar-termico-deautoconstruccion_2445.html Energía solar. Autoconstrucción de cocinas y calentadores de agua, Juan José Oña, Ceuta. http://www.tecnologiasapropiadas.com/biblioteca/ Más del 90% de los sistemas usados en todo el mundo están basados en el principio del termosifón. • Los calentadores solares de agua bombeados usan un dispositivo de bombeo para hacer circular el agua a través del colector. La ventaja en estos sistemas es que el tanque de almacenamiento puede estar situado por debajo del colector. El inconveniente es que obviamente se necesita electricidad para hacer funcionar la bomba. Con frecuencia el fluido que circula por el colector se trata con anti-oxidante y/o anticongelante. En estos casos, se necesita un intercambiador de calor para calentar el agua que utiliza el usuario. Los sistemas integrados combinan la función del tanque y del colector para reducir costes y tamaño. Se pueden hacer sistemas de calentamiento de agua de forma relativamente sencilla, mientras que también hay sistemas más sofisticados a precios más elevados. Los colectores de tubo de vacío tienen el tubo absorbedor de calor situado en el interior de otro tubo de vidrio en el que se ha hecho el vacío para minimizar las perdidas caloríficas. La complejidad del sistema también varía según el uso. Para aplicaciones comerciales, se usan grupos de colectores para cubrir las necesidades de suministro de grandes cantidades de agua caliente. Muchos de estos sistemas se usan en hospitales en países en desarrollo. 5
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