Tecnologías

Energía Solar

 

Térmica

 

La energía solar

 

La energía solar que recibe nuestro planeta es resultado de un proceso de fusión nuclear que tiene lugar en el interior del Sol. De toda la energía que produce ese proceso nuestro planeta recibe menos de una milmillonésima parte. Esa energía, que en ocho minutos recorre los más de 145 millones de kilómetros que separan al Sol de la Tierra resulta, sin embargo, una cantidad enorme en proporción al tamaño de nuestro planeta.

 

La energía solar se manifiesta en un espectro que se compone de radiación ultravioleta, visible e infrarroja. Al llegar a la Tierra, pierde primero su parte ultravioleta, que es absorbida por una capa de ozono que se presenta en el límite superior de la atmósfera. Ya en la atmósfera, la parte infrarroja se pierde ya sea por dispersión al reflejarse en las partículas que en ella se presentan o al llegar a las nubes, que son capaces de reflejar hasta un 80% de la radiación solar que a ellas llega. El resto llega a la superficie, ya sea de manera directa o indirectamente como reflejo de las nubes y partículas en la atmósfera.

 

Tecnología ST

 

La tecnología solar ofrece una opción viable para la generación eléctrica y el aprovechamiento térmico, aprovechando la energía calorífica que el sol nos provee día a día, a través de sistemas de captación de esta energía.

 

Las tecnologías de aprovechamiento de la energía solar térmica se pueden clasificar en pasivas y activas.

 

Sistemas Solares pasivos

 

Las tecnologías de aprovechamiento pasivo, son básicamente aquellas que emplean sistemas que se incorporan a edificaciones con pequeñas modificaciones en su estructura y sirven para capturar, acumular y distribuir energía. Las de captación, aprovechan los muros vidrios y cubiertas, para cumplir con su cometido y son el vínculo para que la energía llegue a los acumuladores de energía y se acumule en éstos a través de su masa térmica, realizándose la distribución a través de la convección natural.

 

Esta tecnología representa una de las formas más económicas de ahorro de energía convencional porque se disminuye el consumo de energía asociado a las pérdidas de calor o ganancias del mismo según se trate.

 

Tipo de construcción

 

Para climas cálidos y secos, se recomienda una construcción compacta y pesada con gran inercia térmica para amortiguar las grandes variaciones de temperatura que se presentan. En el caso de climas cálidos y húmedos, se recomiendan casa alargadas, donde la estructura es ligera, con poca inercia térmica y la orientación es de poca importancia.

 

En el caso de climas fríos, se requiere que las superficies exteriores de las viviendas sean lo mínimo posible, lo que se logra construyéndolas juntas unas de otras y con la cara sur con más superficies de captación, como ventanas, puertas, etc. y la cara norte, con lo mínimo de aperturas.

 

En climas templados, se requiere que los edificios adquieran una forma alargada en la dirección este-oeste, en este caso la energía que entra a través de las ventanas es la que se acumula en la construcción y permite acondicionar el edificio.

 

Efecto invernadero

 

La mayoría de sistemas pasivos de captación directa de la radiación solar, se fundamentan en el efecto invernadero. La longitud de onda que llega a la tierra una vez que ha atravesado la atmósfera, es en su mayoría de onda corta.

 

El efecto invernadero se logra cuando esta radiación de onda corta atraviesa el vidrio, no obstante que una pequeña parte es reflejada por la superficie, la mayoría calienta los cuerpos en los que incide, estos cuerpos a su vez irradian calor en forma de onda larga, para la cal l vidrio es opaco y por lo tanto se que da en el interior, obteniéndose una ganancia de temperatura.

 

Los sistemas solares activos

 

Los sistemas solares térmicos pueden clasificarse en planos o de concentración o enfoque.

 

Los sistemas solares planos, o colectores solares planos, son dispositivos que se calientan al ser expuestos a la radiación solar y que transmiten el calor a un fluido. Con el colector solar plano se pueden calentar fluidos a temperaturas de alrededor de 75 º C, y en el caso de sistemas de tubos evacuado, se alcanzan temperaturas de hasta  200 º C .

 

Los sistemas solares de concentración son aquellos que funcionan concentrando la radiación solar directa en un área focal, pudiéndose ubicar ésta alrededor de un punto o a lo largo de una línea. Este conjunto de dispositivos requiere de procedimientos o mecanismos de seguimiento, ya que la línea de incidencia varía durante el día y durante el año. Estos sistemas pueden lograr temperaturas de varios centenares de grados centígrados y en casos especiales hasta los miles de grados.

 

Componentes de un colector solar

 

El colector solar plano es el aparato más representativo de la tecnología solar fototérmica. Su principal aplicación es en el calentamiento de agua para baño y albercas, aunque también se utiliza para secar productos agropecuarios mediante el calentamiento de aire y para destilar agua en comunidades rurales principalmente.

 

Este constituido básicamente por:

 

1.- Marco de aluminio anodizado.

2.- Cubierta de vidrio templado, bajo contenido en fierro.

3.- Placa absorbedora. Enrejado con aletas de cobre.

4.- Cabezales de alimentación y descarga de agua.

5.- Aislante, usualmente poliestireno, o unicel

6.- Caja del colector, galvanizada.

 

 

Para la mayoría de los colectores solares se tienen dimensiones características. En términos generales la unidad básica consiste de un colector plano de 1.8 a 2.1 m2 de superficie, conectado a un termotanque de almacenamiento de 150 a 200 litros de capacidad; a este sistema frecuentemente se le añaden algunos dispositivos termostáticos de control a fin de evitar congelamientos y pérdidas de calor durante la noche. Las unidades domésticas funcionan mediante el mecanismo de termosifón, es decir, mediante la circulación que se establece en el sistema debido a la diferencia de temperatura de las capas de líquido estratificadas en el tanque de almacenamiento. Para instalaciones industriales se emplean varios módulos conectados en arreglos serie-paralelo, según el caso, y se emplean bombas para establecer la circulación forzada.

 

Aplicaciones

 

Las aplicaciones térmicas se dividen en categorías, dependiendo principalmente de de su temperatura, por lo que una clasificación se puede dar:

 

Temperatura entre: 50-80º C.

 

Para el calentamiento doméstico de agua, mediante colectores planos los cuales consisten básicamente, en una tubería por la que circula el fluido que recibe el calor de una superficie absorbente y todo esto se encuentra aislado térmicamente, y con cubierta transparente.

 

En la industria se puede utilizar en varias etapas para precalentamiento de agua.

 

En la industria agropecuaria también, para calentamiento de agua, para procesos de elaboración de productos lecheros, por ejemplo.

 

En secado de alimentos, granos y frutas.

 

Temperatura intermedio: 80-200º C.

Mediante tubos solares evacuados y concentradores parabólicos. Estos tienen muchas más aplicaciones industriales y de refrigeración por absorción, aire acondicionado y producción de energía eléctrica comercial.

 

Temperatura alta: hasta 2000º C.

Hornos solares pequeños en los que se pueden hasta fundir metales.

 

 

Planta de receptor central para la producción de energía eléctrica comercial.

 

Hornos solares grandes en los que se pueden fundir metales y disociar moléculas como la del agua y así producir hidrógeno, que es un combustible no contaminante y es una forma limpia de almacenar energía solar

 

Situación en el mundo

 

Calentadores solares planos

 

Los calentadores solares planos son una de las tecnologías solares más simples, más probadas y que tiene un gran potencial de aplicación en todo el mundo. Uno de los casos más relevantes es el de Israel,  donde se usa la energía solar para calentamiento de agua desde hace más de 50 años y donde, a partir de 1980, la legislación hizo obligatoria la instalación de sistemas solares para calentamiento de agua en todas las construcciones residenciales nuevas.

 

Hoy en día, la tecnología solar térmica experimenta un fuerte crecimiento en Europa. Desde 1993, se tiene un crecimiento de 14.8% anual en el área instalada de colectores solares planos. Tres países, Alemania, Grecia y Austria, se destacan de los demás. En 1998, estos países instalaron más de 150,000 m2 de colectores solares. Alemania es el líder, ya que instaló en el año mencionado 470,000 m2, en más de 50,000 instalaciones colectivas e individuales para calentamiento de agua. En términos relativos, es decir, número de  colectores solares por cada mil habitantes, Grecia y Austria superan a Alemania.

 

La Energía Solar Térmica europea está de nuevo en su punto álgido. El difícil periodo de la década 1985-1995 parece estar ya superado. La mejor prueba de ello es el favorable balance del año 2001, que presenta cifras en clara progresión con respecto a las de año 2000. Actualmente el nuevo récord a batir, en materia de instalación anual de captadores solares térmicos en la Unión Europea, es de 480.320 m2. Los resultados, que ya fueron excelentes en 2000, han aumentado un 27% en el transcurso del año 2001, lo que se ha manifestado en una gran producción  Esta información no es, por lo tanto, una sorpresa para los atentos observadores del sector. Desde 2000, el mercado ha alcanzado otra dimensión, franqueando la barrera del millón de m2 instalados anualmente. Más exactamente, entre 1996 y 2001, se han doblado los volúmenes anuales.

 

Tabla 1

Áreas instaladas de colectores solares planos para algunos países (1998)

 

 

Sistemas de concentración de radiación solar

 

La generación fototérmica de electricidad, a través de sistemas que concentran la energía solar en una línea, es actualmente una de las aplicaciones más extensas de la energía solar en el mundo, ya que se tienen 354 MW instalados en sistemas que utilizan más de 2.5 millones de m2 de concentradores solares en 9 plantas del Solar Energy Generation System, SEGS, el cual es un producto de la compañía Luz de Israel

 

Situación en México

 

Calentamiento solar

 

En México se fabrican calentadores solares planos desde hace más de cincuenta años y en la actualidad existen cerca de 50 fabricantes registrados de estos equipos. Igualmente, la investigación sobre este tema es amplia y existe un gran número de ingenieros y técnicos que pueden diseñar este tipo de sistemas. Esto se ha reflejado en el crecimiento de la producción de calentadores solares planos desde 1997, habiéndose logrado para 1999, 35,000 m2 instalados. De esta manera, en 1999, se contaba en el país con 328,000 m2 de este tipo de sistemas, la mayoría de ellos instalados en la Ciudad de México, Guadalajara, Cuernavaca y Morelia, sin embargo en el 2002, se instalaron según datos de la Asociación Nacional de Energía solar (ANES), 50,911 m, lo que da un acumulado al 2002 de 498,615 m2.

 

Sistemas térmicos de concentración solar

 

En México existen instalaciones de este tipo de colectores, resaltando la que se construyó en el Instituto de Ingeniería de la UNAM a principios de los ochenta en la Ciudad de México, y que ha sido la base para investigaciones posteriores en nuestro país. Actualmente, esta  tecnología se desarrolla en México en cuando menos dos centros de investigación aplicada y en una universidad: el Instituto de Investigaciones Eléctricas, IEE; el Centro de Investigaciones en Energía, CIE, de la UNAM y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de México.

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Ingeniería en Sistemas Energéticos y Ambientales “ISEA”

14/12/2011 Ultima Actualización

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