energía a partir de la radiación solar
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Conversión de la Energía a partir de la Radiación SolarTRANSCRIPT
Universidad Tecnológica de Panamá
Facultad de ingeniería civil
Integrantes:
Brown, Katherine 3-732-829
De Andrade, Angel 8-853-1730
Tema:
Conversión de energía a partir de la Radiación Solar
Asignatura:
Termodinámica
Profesor:
Ing. Pacifico Isaac Atencio
Grupo:
1IC441
Fecha de entrega:
Viernes 20 de febrero de 2015
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Introducción
En este trabajo desarrollaremos más a fondo el tema de la Conversión de Energía a partir de la Radiación Solar. El sol arroja cada año sobre la tierra cuatro mil veces más energía que la que se consume en todo el mundo. Según estudios realizados por científicos alemanes, estos afirman que bastaría cubrir con colectores solares una pequeña parte, alrededor de un 0,5% de los desiertos cálidos para satisfacer las necesidades eléctricas del mundo entero. La energía solar es una fuente de energía de origen renovable, la misma es obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. La energía del sol es directa o indirectamente fuente de la mayor parte de la energía que utilizamos en nuestra vida diaria, también puede generar calor directo y además electricidad. En la actualidad el calor y la luz del Sol se pueden aprovechar por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos que son los que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica.
Una de las posibilidades es transformar esta energía en electricidad, las cuales corresponden a fotovoltaica y a solar termoeléctrica; pero la generación de electricidad no es la única vía de aprovechamiento de la energía solar, también es posible emplearla en forma de calor, es decir, utilizarla en sistemas de calefacción o agua caliente sanitaria. En la actualidad existen dos tecnologías diferentes para la generación eléctrica a partir de la radiación solar las activas y las pasivas. La primera de ellas incluye la denominada tecnología fotovoltaica, consiste en transformar directamente la radiación solar en electricidad. Entre la técnica pasiva se encuentran diferentes técnicas basadas en la arquitectura bioclimática. Otra posibilidad para la generación eléctrica es la denominada tecnología solar termoeléctrica, se basa en emplear la radiación solar para calentar un fluido y emplearlo en un ciclo termodinámico convencional. A pesar de que es una energía barata y limpia, uno de los inconvenientes que tiene la generación de electricidad a partir de la luz solar, es que sólo puede producirse durante el día, y a su vez es difícil y cara de almacenar. Por todos los inconvenientes, se deduce que la producción de electricidad a través de estos medios es mucho más cara que por sistemas convencionales, y sólo en condiciones muy especiales es cuando su uso se considera rentable
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Índice
Energía solar…………………………………………………………………………. 4
Energía proveniente del Sol………………………………………………………...... 5
Tecnología y usos de la energía solar………………………………………………… 9
Energía solar activa…………………………………………………………………...11
Energía solar pasiva…………………………………………………………………..13
Energía solar térmica………………………………………………………………….20
Energía solar térmica de baja temperatura Energía solar térmica de media temperatura Energía solar térmica de alta temperatura Acumulación e intercambio de calor
Energía solar fotovoltaica……………………………………………………………25
Paneles solares fotovoltaicos Paneles solares Desarrollo de la energía solar fotovoltaica en el mundo Aplicaciones Autoconsumo fotovoltaico y paridad de red La energía del futuro Balance neto y costes
Conclusión…………………………………………………………………………....43
Bibliografía…………………………………………………………………………...44
Anexos………………………………………………………………………………..45
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La energía solar
La energía solar es una fuente de energía de origen renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol.
La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando con el tiempo desde su concepción. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, que pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que pueden ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad.
Las diferentes tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas según cómo capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa térmica favorable o que tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de espacios mediante ventilación natural.
En 2011, la Agencia Internacional de la Energía se expresó así: "El desarrollo de tecnologías solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme beneficio a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países mediante el uso de una fuente de energía local, inagotable y, aún más importante, independientemente de importaciones, aumentará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, disminuirá los costes de la mitigación del cambio climático, y evitará la subida excesiva de los precios de los combustibles fósiles. Estas ventajas son globales. De esta manera, los costes para su incentivo y desarrollo deben ser considerados inversiones; deben ser realizadas de forma correcta y ampliamente difundidas".
La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según informes de la organización ecologista Greenpeace, la energía solar
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fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.
Actualmente, y gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales, aumentando a su vez la eficiencia, y su coste medio de generación eléctrica ya es competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red. Otras tecnologías solares, como la energía solar termoeléctrica está reduciendo sus costes también de forma considerable.
Energía que proviene del sol
El sol es una estrella que los seres humanos siempre hemos identificado y que hemos aprovechado en formas distintas, pues es la fuente principal de energía en el Sistema Solar de forma directa o indirecta. Esta fuente de energía electromagnética es fundamental para la existencia de vida en el planeta.
La Tierra recibe alrededor de 275 millones de gigawatt-años (275 x 10 a la 15 potencia de watts) de radiación solar en la atmósfera superior cada año, lo que significa un total de 8.2 millones de “quads” de energía al año
(actualmente la humanidad consume 400 quads cada año). En otras palabras, cada día que pasa la Tierra recibe 56 veces la energía que la humanidad consume en un año.
Aproximadamente 30% es reflejado al espacio mientras que el resto se absorbe en nubes, océanos y masas. En promedio anual, los polos reciben menos insolación que el ecuador, porque los polos de la superficie de la Tierra no están angulados con el Sol.
La insolación es una medida de la radiación solar recibida en una superficie de área registrada durante un tiempo determinado. Se llama también irradiación solar. Se mide en joules por milímetro cuadrado. La radiación solar hace contacto con el planeta que se encuentra dentro de una magnetósfera. Algo de la energía solar será absorbido en la
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magnetósfera y el resto reflejado. Usualmente la radiación solar absorbida se convierte en energía térmica, causando un incremento en la temperatura de objeto.
El espectro de la luz solar en la superficie de la Tierra está en el visible y cerca de los rangos infrarrojos con una pequeña parte de ultra-violeta. La luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético. La radiación electromagnética no es monocromática, sino de un rango de diferentes longitudes de onda y por tanto niveles de energía.
La tierra, los océanos y la atmósfera absorben la radiación solar y aumenta su temperatura, permitiendo un ambiente propicio para la vida. Las plantas usan la luz para hacer alimento a través de la fotosíntesis, los animales se alimentan de las plantas. Las plantas pueden usarse como Energía de Biomasa y si decaen bajo ciertas condiciones, con el paso del tiempo se transforman en energías fósiles como carbón, petróleo, y gas natural que usamos todos los días.
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El sol además ejerce interacciones con la Tierra a través de su campo electromagnético y de la gravedad que ejerce, provocando su rotación y por tanto, calor desde el núcleo de la Tierra, que posteriormente es aprovechado como Energía Geotérmica y como uno de los principales orígenes de la Energía en los océanos.
La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. En condiciones de radiación aceptables, la potencia equivale aproximadamente a 1000 W/m² en la superficie terrestre. Esta potencia se denomina irradiancia. Nótese que en términos globales prácticamente toda la radiación recibida es reemitida al espacio (de lo contrario se produciría un calentamiento abrupto). Sin embargo, existe una diferencia notable entre la radiación recibida y la emitida.
La radiación es aprovechable en sus componentes directos y difusos, o en la suma de ambos. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La bóveda celeste diurna emite la radiación difusa debido a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones.
La irradiación directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1366 W/m² (que
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corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²).
Flujo Solar Anual y Consumo de energía humano
Solar 3 850 000 EJ12
Energía eólica 2.250 EJ13
Biomasa 3000 EJ14
Uso energía primario (2005) 487 EJ15
Electricidad (2005) 56,7 EJ16
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Tecnologías y usos de la energía solar
Imagen del prototipo Helios, avión no tripulado de la NASA propulsado mediante energía solar fotovoltaica.
Cubierta fotovoltaica en el Estadio Nacional de Kaohsiung, sede de los Juegos Mundiales de 2009(World Games 2009) en Kaohsiung (Taiwán).
Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:
Energía solar activa: para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60 °C), se utiliza en casas; de media temperatura, alcanza los 300 °C; y de alta temperatura, llega a alcanzar los 2000 °C. Esta última, se consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van dirigidos a un reflector que lleva a los rayos a un punto concreto. También puede ser por centrales de torre y por espejos parabólicos.
Energía solar pasiva: Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos.
Energía solar térmica: Es usada para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefacción.
Energía solar fotovoltaica: Es usada para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se alteran con la radiación solar.
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Energía solar termoeléctrica: Es usada para producir electricidad con un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite térmico).
Energía solar híbrida: Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con la que se combine es una hibridación:
Renovable: biomasa, energía eólica.
No renovable: Combustible fósil.
Energía eólico solar: Funciona con el aire calentado por el sol, que sube por una chimenea donde están los generadores.
Otros usos de la energía solar y ejemplos más prácticos de sus aplicaciones:
Huerta solar.
Central térmica solar, como:
la que está en funcionamiento desde el año 2007 en Sanlúcar la Mayor (Sevilla), de 11 MW de potencia que entregará un total de 24 GWh al año.
y la de Llanos de Calahorra, cerca de Guadix, de 50 MW de potencia. En proyecto Andasol I y II.
Potabilización de agua.
Cocina solar.
Destilación solar.
Evaporación.
Fotosíntesis.
Secado.
Arquitectura sostenible.
Cubierta solar.
Acondicionamiento y ahorro de energía en edificaciones.
Calentamiento de agua.
Calefacción doméstica.
Iluminación.
Refrigeración.
Aire acondicionado.
Energía para pequeños electrodomésticos.
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Tecnología solar activa
La tecnología solar activa es un término referido a aquellas tecnologías utilizadas para transformar la energía solar en calor utilizable, para producir corrientes de aire para ventilación o refrigeración o para almacenar el calor para uso futuro, todo ello por medio de equipamientos mecánicos o eléctricos tales como bombas y ventiladores. Los sistemas que captan y utilizan la energía solar sin usar estos dispositivos se clasifican dentro de la tecnología solar pasiva. Un ejemplo típico de solar pasiva sería una chimenea solar para mejorar la ventilación natural de una vivienda.
Los sistemas de agua caliente sanitaria, excepto los basados en termosifón, usan bombas o ventiladores para hacer circular el agua, una mezcla anticongelante o aire a través de los colectores solares, razón por la cual se clasifican dentro de la tecnología solar activa. Los colectores solares pueden ser planos o con algún sistema de concentración. La mayoría de los colectores solares térmicos suelen situarse sobre soportes fijos, pero tendrían un rendimiento superior si pudieran seguir al Sol en su recorrido. Los seguidores solares a veces utilizados para mejorar el rendimiento de paneles fotovoltaicos que permanecen óptimamente orientados al Sol, pueden diseñarse con alguna tecnología solar activa o pasiva.
Como la tecnología solar pasiva no requiere energía adicional para funcionar y, por tanto, coste de operación cero, no emite gases de efecto invernadero y los costes de mantenimiento son muy bajos, es una elección muy interesante para tener en cuenta. Sin embargo, los sistemas solares térmicos activos, que suelen usar ventiladores y bombas, ofrecen una fracción solar mayor que los sistemas pasivos, debido a las mejoras en las transferencias y el transporte del calor. Un sistema híbrido que utilizara la energía solar fotovoltaica para alimentar esas bombas y ventiladores, podría resultar de lo más
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interesante. Los análisis por ordenador con programas como el F-Chart, pueden servir para comparar las distintas tecnologías.
¿De dónde obtenemos la tecnología solar activa?La obtención de energía de este elemento natural mediante tecnología, se divide en dos categorías que dependen de la captura, la conversión y distribución de ésta. Pero la que se destaca por el aprovechamiento de los beneficios del sol, es la tecnología solar activa.
Este término se refiere a mecanismos que son utilizados para la captura de la radiación del sol y con esta producir energía eléctrica o mecánica. El resultado del uso de estas tecnologías puede ser desde la refrigeración, la ventilación o solamente su almacenamiento para darle uso en algún futuro.
El equipo que se maneja para tener dichos resultados es mediante espejos heliostatos, cilindros o discos parabólicos, o también por centrales de torre. Para conseguir altas temperaturas (los 2000 °C), se obtienen a partir de que los rayos del sol chocan en los espejos y se dirigen a un reflector que los lleva a un punto preciso.Al mismo tiempo, la energía solar activa se divide con base a su capacidad de la transformación de energía, teniendo como resultado dos tipos: la energía térmica y fotovoltaica.
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Tecnología solar pasiva
Los sistemas solares pasivos se utilizan principalmente para captar y acumular el calor proveniente de la energía solar. A la tecnología solar pasiva se le conoce como pasiva ya que es el conjunto de técnicas dirigidas al aprovechamiento de la energía solar de forma directa, sin transformarla en otro tipo de energía, para su utilización inmediata o para su almacenamiento sin la necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo de energía, no utilizan otros dispositivos electromecánicos como bombas recirculadoras, ventiladores o entre otros para recolectar el calor, aunque puede ser complementada por éstos. Esto sucede por principios físicos básicos como la conducción, radiación y convección del calor.
La energía solar pasiva utiliza componentes tales como la construcción de paredes, pisos, techos, ventanas, elementos de construcción exteriores y paisajismo para controlar el calor generado por el sol. Los diseños de calefacción solar intentan atrapar y almacenar la energía térmica de la luz solar directa. El enfriamiento pasivo minimiza los efectos de la radiación solar a través de sombreado o la generación de corrientes de convección de aire de ventilación.
Clasificación
Iluminación Natural
Un edificio comercial puede reducir su factura de electricidad mediante el uso de la luz del cielo que lo rodea y no sólo la luz del día. Se va a crear un ambiente agradable y reducir los costos de aire acondicionado, porque también es considerable la cantidad de calor generado por las bombillas.
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Ganancia Directa
Es el sistema más sencillo e implica la captación de la energía del sol por superficies vidriadas que son dimensionadas para cada orientación y en función de las necesidades de calor del edificio o local a climatizar.
Muro de Acumulación No Ventilado
También conocido como Muro Trombe, es un muro construido en piedra, ladrillos,
hormigón o hasta agua pintado de negro o de un color muy oscuro en la cara exterior.
Para mejorar la captación se aprovecha una propiedad del vidrio que es la de generar
un efecto invernadero, en el cual la luz visible atraviesa el vidrio y al llegar el muro lo
calienta emitiéndose en este proceso una cantidad de radiación infrarroja que es
contenida por el vidrio. Por este motivo se eleva la temperatura de la cámara de aire
existente entre el muro y el vidrio.
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Muro de Acumulación Ventilado
Este tipo de energía solar pasiva es similar al sistema al anterior pero incorpora orificios
en la parte superior e inferior para facilitar la transferencia de calor entre el muro y el
ambiente mediante convección que se suma al aporte por radiación.
Invernadero Adosado
El mismo consiste en recintos acristalados cerrados construidos en la cara sur del
edificio. Dependiendo del clima y del uso a que se le destine, puede haber un muro de
separación con la parte habitada del edificio u otro tipo de almacenamiento. Sirve para
estabilizar la temperatura tanto en el invernadero como en la vivienda. En algunos casos
el invernadero se utiliza para dar un precalentamiento al aire que penetra en el interior
del edificio.
La temperatura en su interior puede sufrir grandes variaciones entre el día y la noche,
por eso no es muy útil como vivienda, si no se utiliza un control adecuado que puede
consistir en unas simples persianas para el período nocturno o la utilización de un
calentamiento auxiliar.
Los invernaderos pueden adoptar una amplia gama de formas geométricas, con las
cuatro paredes acristaladas (incluyendo el techo), o bien las laterales opacas. Con el fin
de aprovechar la energía calorífica acumulada en el invernadero o galería, se pueden
instalar ventiladores que impulsen el aire hasta el interior de la vivienda.
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Las ventajas del uso de los invernaderos y galerías acristaladas, reside en que el clima
de las viviendas mejora sensiblemente situando un recinto compensador entre el espacio
habitado y el exterior. Puede ocupar la totalidad o solo parte de la fachada sur del
edificio, tanto en altura como anchura, con lo que reduce la parte de la obra y las
pérdidas por ventilación.
Entre los inconvenientes de este sistema se pueden ver los problemas de
sobrecalentamiento que se pueden presentar en verano, las grandes oscilaciones que
experimenta su temperatura interior y el costo de su construcción que suele ser superior
a las ganancias energéticas que proporciona, si no se compensan con otras utilidades,
tales como estancias en ciertos períodos del año.
Techo de Acumulación de Calor
También son conocidos como estanques solares, en ciertas latitudes es posible usar la
superficie del techo para captar y acumular la energía del sol, los mismos requieren de
complejos dispositivos móviles para evitar que se escape el calor durante la noche.
Captación Solar y Acumulación Calor
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Es un sistema más complejo y permite combinar la ganancia directa por ventanas
con colectores solares de aire o agua caliente para acumularlo debajo del piso. Luego de
modo similar al muro acumulador ventilado se lleva el calor al ambiente interior.
Adecuadamente dimensionado permite acumular calor para siete o más días.
En casi todos los casos se los puede utilizar como sistemas de refrescamiento
pasivo invirtiendo el sentido de funcionamiento.
Calefacción Solar Pasiva
La calefacción solar pasiva ocurre cuando la luz del sol golpea un objeto y el objeto absorbe el calor. Esto puede ocurrir en un edificio de manera eficaz si las ventanas están orientadas correctamente. La más potente es la ventana de orientación sur, pero cualquier orientación dentro de los 30 grados hacia el sur es adecuada.
Estos sistemas son útiles en los lugares que presentan temperaturas bajas durante todo el año o parte de él, pero sólo son realmente eficientes si se cuenta con el número adecuado de horas de sol al día y si la radiación es suficientemente intensa. Aunque no siempre es así, podemos afirmar que su aplicación más efectiva se da en las latitudes medias, es decir, aproximadamente entre los paralelos 15° y 60°, tanto en el hemisferio norte como en el sur. En las latitudes menores a 15° se suelen presentar temperaturas elevadas durante todo el año (climas tropicales), por lo que el calentamiento no solo no es necesario sino que casi siempre es contraproducente. Por otro lado, en las latitudes mayores a 60° se suele tener muy pocas horas de sol y la intensidad de la radiación es muy baja, por lo que su aprovechamiento no suele ser factible.
Una vez que el calor está en el interior del edificio varias técnicas pueden adoptarse para conservar y difundirlo. Para la calefacción solar pasiva, se requiere aproximadamente que el 8% de la superficie sea de ventanas del techo al piso en las paredes. Una vez que el calor es atrapado dentro de un edificio y la estructura que es hermética, la pérdida de calor se puede evitar con eficacia. Las ventanas de doble cristal no son muy eficaces en la captura de calor. Se deben instalar ventanas de alto rendimiento, con marcos aislados, de múltiples recubrimientos, separadores de vidrio aislantes y rellenos de gas inerte. Todos estos elementos pueden reducir la pérdida de calor del 50% al 75%.
Refrigeración Pasiva
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En la refrigeración pasiva se aplican técnicas opuestas a la calefacción solar pasiva. Aquí los edificios están diseñados para mantener fuera la energía solar y el calor del aire. El calentamiento interno de objetos animados e inanimados se minimiza y se disipa en el medio ambiente a través de la ventilación.
Aplicaciones
La tecnología solar pasiva incluye sistemas con ganancia directa e indirecta para el
calentamiento de espacios, sistemas de calentamiento de agua basados en termosifón, el
uso de masa térmica y de materiales con cambio de fase para suavizar las oscilaciones
de la temperatura del aire, cocinas solares, chimeneas solares para mejorar la ventilación
natural y el propio abrigo de la tierra.
También incluye otras tecnologías como los hornos solares o las fraguas solares, aunque
estos requieren cierto consumo de energía para alinear espejos concentradores o
receptores e históricamente no han demostrado ser muy prácticos o rentables para uso
extensivo.
Beneficios
Los sistemas solares pasivos se caracterizan por requerir poco o ningún coste para
realizar su trabajo, muy reducido para su mantenimiento y no emiten gases de efecto
invernadero durante su funcionamiento. No obstante esto no impide que haya que seguir
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trabajando optimizando los sistemas para obtener un mayor rendimiento y un mayor
beneficio económico.
La energía solar puede utilizarse de diversas formas, para proveer de electricidad,
energía mecánica, calor e iluminación. La calefacción y refrigeración pasivas solares
pueden ahorrarte mucho dinero en electricidad. El diseño de un edificio es muy
importante para aprovechar la energía solar pasiva. El edificio y las ventanas están
diseñados de tal manera que equilibran cuidadosamente sus necesidades de energía sin
necesidad de equipos mecánicos. Los beneficios solares se utilizan a través de las
ventanas y bombas, y los ventiladores se utilizan poco.
El ahorro y la eficiencia en el consumo de la energía reducen el tamaño de una
instalación y redunda en un mayor beneficio económico. Las tecnologías solares pasivas
ofrecen importantes ahorros, sobre todo en lo que respecta a la calefacción de espacios.
Combinadas con tecnologías solares activas, como la energía solar fotovoltaica, pueden
convertirse, además, en una excelente fuente de ingresos.
A través del uso combinado de sistemas de alto rendimiento, sistemas y dispositivos
eficientes, así como un aprovechamiento de todas las posibilidades de la energía solar
pasiva, entre el 50 y el 75% de las necesidades energéticas de una construcción
edificada con las prácticas habituales pueden ser eliminados o satisfechos.
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Tecnología solar térmica
Definiremos la energía solar térmica o energía termosolar como el aprovechamiento de la energía del Sol para generar calor mediante el uso de colectores o paneles solares térmicos. Esta energía solar se encarga de calentar el agua u otro tipo de fluidos a temperaturas que podrán oscilar entre 40º y 50º, no debiendo superar los 80º.
Esta agua caliente se podrá usar posteriormente para cocinar o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico (ACS), ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y a partir de ella, de energía eléctrica. Actualmente también tenemos la posibilidad de alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que empleará esta energía solar térmica en lugar de electricidad para producir frío como lo haría un aparato de aire acondicionado tradicional.
Sistema solar térmico para uso doméstico:1) Colector2) Deposito de almacenamiento3) Caldera4) Estación solar5) Consumo del agua (ducha)
El funcionamiento de la captación de energía solar térmica se basa en lo siguiente: el primer paso es captar los rayos solares mediante colectores o paneles solares, después a través de
este panel solar hacemos pasar agua u otro fluido de características similares, de esta manera una parte del calor absorbido por el panel solar es transferido al agua y de esta
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forma ya puede ser directamente usada o almacenada para que hagamos uso de el cuándo lo necesitemos.
La energía solar térmica (o energía termosolar) consiste en el aprovechamiento de la energía del Sol para producir calor que puede aprovecharse para cocinar alimentos o para la producción de agua caliente destinada al consumo de agua doméstico, ya sea agua caliente sanitaria, calefacción, o para producción de energía mecánica y, a partir de ella, de energía eléctrica. Adicionalmente puede emplearse para alimentar una máquina de refrigeración por absorción, que emplea calor en lugar de electricidad para producir frío con el que se puede acondicionar el aire de los locales.
Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura:
Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor de 60 °C, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc.
Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 °C. En esta categoría se tiene a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación.
Colectores de alta temperatura. Existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas superiores a los 500 °C y se usan para generar electricidad (electricidad termosolar) y transmitirla a la red eléctrica; en algunos países estos sistemas son operados por productores independientes y se instalan en regiones donde las posibilidades de días nublados son remotas o escasas.
Energía solar térmica de baja temperatura
Una instalación solar térmica de baja temperatura está formada por captadores solares, un circuito primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, vaso de expansión y tuberías. Si el sistema funciona mediante termosifón será la diferencia de densidad por cambio de temperatura la que moverá el fluido. Si el sistema es forzado, entonces será necesario además dotar al sistema de una bomba de circulación y un sistema de control.
Los captadores solares son los elementos que capturan la radiación solar y la convierten en energía térmica, en calor. Como captadores solares se conocen los de placa plana, los de tubos de vacío y los captadores absorbedores sin protección ni aislamiento. Los
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sistemas de captación planes (o de placa plana) con cubierta de vidrio son los comunes mayoritariamente en la producción de agua caliente sanitaria ACS. El vidrio deja pasar los rayos del Sol, estos calientan unos tubos metálicos que transmiten el calor al líquido de dentro. Los tubos son de color oscuro, ya que las superficies oscuras calientan más.
El vidrio que cubre el captador no sólo protege la instalación sino que también permite conservar el calor produciendo un efecto invernadero que mejora el rendimiento del captador.
Están formados de una carcasa de aluminio cerrada y resistente a ambientes marinos, un marco de aluminio, una junta perimetral libre de siliconas, aislante térmico (normalmente lana de roca), cubierta de vidrio solar de alta transparencia, y finalmente por tubos soldados que conducen el fluido portador de calor hacia el interior y el exterior del captador.
Los colectores solares se componen de los siguientes elementos:
Cubierta: Es transparente, puede estar presente o no. Generalmente es de vidrio aunque también se utilizan de plástico ya que es menos caro y manejable, pero debe ser un plástico especial. Su función es minimizar las pérdidas por convección y radiación y por eso debe tener una transmitancia solar lo más alta posible.
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Canal de aire: Es un espacio (vacío o no) que separa la cubierta de la placa absorbente. Su espesor se calculará teniendo en cuenta para equilibrar las pérdidas por convección y las altas temperaturas que se pueden producir si es demasiado estrecho.
Placa absorbente: La placa absorbente es el elemento que absorbe la energía solar y la transmite al líquido que circula por las tuberías. La principal característica de la placa es que tiene que tener una gran absorción solar y una emisión térmica reducida. Como los materiales comunes no cumplen con este requisito, se utilizan materiales combinados para obtener la mejor relación absorción / emisión.
Tubos o conductos: Los tubos están tocando (a veces soldadas) la placa absorbente para que el intercambio de energía sea lo más grande posible. Por los tubos circula el líquido que se calentará e irá hacia el tanque de acumulación.
Capa aislante: La finalidad de la capa aislante es recubrir el sistema para evitar y minimizar pérdidas. Para que el aislamiento sea el mejor posible, el material aislante deberá tener una baja conductividad térmica.
Energía solar térmica de media temperatura
La planta termosolar de 150 MW Andasol es una planta comercial de discos parabólicos, localizada en España. Esta planta utiliza un sistema de tanques con sales fundidas para almacenar el calor generado por la radiación solar de forma que pueda seguir generando electricidad durante la noche.
Un disco solar parabólico que concentra la radiación solar sobre un elemento calefactor de un motor Stirling. Toda la unidad actúa como un seguidor solar.
Las instalaciones de temperatura media pueden usar varios diseños, los diseños más comunes son: glicol a presión, drenaje trasero, sistemas de lote y sistemas más nuevos de baja presión tolerantes al congelamiento que usan tuberías de polímero que contienen agua con bombeo fotovoltaico. Los estándares europeos e internacionales están siendo revisados para incluir las innovaciones en diseño y la operación de colectores de temperatura media. Las innovaciones operacionales incluyen la operación de "colectores permanentemente húmedos". Esta técnica reduce o incluso elimina la ocurrencia de tensiones de no flujo de alta temperatura conocidas como estancamiento, las que reducen la vida esperada de estos colectores.
Energía solar térmica de alta temperaturaLas temperaturas inferiores a 95 grados celsius son suficientes para calefacción de espacios, en ese caso generalmente se usan colectores planos del tipo no concentradores. Debido a las relativamente altas pérdidas de calor a través del cristal, los colectores planos no logran alcanzar mucho más de 200 °C incluso cuando el fluido de transferencia está estancado. Tales temperaturas son demasiado bajas para ser usadas en la conversión eficiente en electricidad.
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La eficiencia de los motores térmicos se incrementa con la temperatura de la fuente de calor. Para lograr esto en las plantas de energía termal, la radiación solar es concentrada por medio de espejos o lentes para lograr altas temperaturas mediante una técnica llamada electricidad solar de concentración (en inglés: Concentrated Solar Power, CSP). El efecto práctico de las mayores eficiencias es la reducción del tamaño de los colectores de la planta y del uso de terreno por unidad de energía generada, reduciendo el impacto ambiental de una central de potencia así como su costo.
A medida de que la temperatura aumenta, diferentes formas de conversión se vuelven prácticas. Hasta 600 °C, las turbinas de vapor, la tecnología estándar, tienen una eficiencia de hasta 41 %, Por sobre los 600 °C, las turbinas de gas pueden ser más eficientes. Las temperaturas más altas son problemáticas y se necesitan diferentes materiales y técnicas. Uno propuesta para temperaturas muy altas es usar sales de fluoruro líquidas operando a temperaturas de entre 700 °C a 800 °C, que utilizan sistemas de turbinas de etapas múltiples para lograr eficiencias termales de 50 % o más. Las temperaturas más altas de operación le permiten a la planta usar intercambiadores de calor secos de alta temperatura para su escape termal, reduciendo el uso de agua de la planta, siendo esto crítico para que las centrales ubicadas en desiertos sean prácticas. También las altas temperaturas hacen que el almacenamiento de calor sea más eficiente, ya que se almacenan más watts-horas por unidad de fluido.
Dado que una planta de electricidad solar de concentración (CSP) primero genera calor, puede almacenar dicho calor antes de convertirlo en electricidad. Con la actual tecnología, el almacenamiento de calor es mucho más barato que el almacenamiento de electricidad. De esta forma, una planta CSP pude producir electricidad durante el día y la noche. Si la ubicación de la planta CSP tiene una radiación solar predecible, entonces la planta se convierte en una central confiable de generación de energía.
Acumulación e intercambio de calor
El almacenamiento de calor permite que las centrales solares termales puedan producir electricidad durante las horas del día sin luz solar o por la noche. Esto permite el uso de la energía solar en la generación de carga base así como para la generación de potencia de punta, con el potencial de reemplazar a las centrales que usan combustibles fósiles. Adicionalmente, la utilización de los acumuladores reduce el coste de la electricidad generada con este tipo de centrales solares.
El calor es transferido a un medio de almacenamiento termal en un depósito aislado durante las horas con luz solar y es recuperado para la generación de electricidad en la noche. Los medios de almacenamiento termal incluyen vapor presurizado, hormigón, una variedad de materiales con cambio de fase, y sales fundidas tales como calcio, sodio y nitrato de potasio.
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Energía solar fotovoltaica
La energía fotovoltaica es la transformación directa de la radiación solar en electricidad. Esta transformación se produce en unos dispositivos denominados paneles fotovoltaicos. En los paneles fotovoltaicos, la radiación solar excita los electrones de un dispositivo semiconductor generando una pequeña diferencia de potencial. La conexión en serie de estos dispositivos permite obtener diferencias de potencial mayores.
Aunque el efecto fotovoltaico era conocido desde el siglo XIX, fue en la década de los 50, en plena carrera espacial, cuando los paneles fotovoltaicos comenzaron a experimentar un importante desarrollo. Inicialmente utilizados para suministrar
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electricidad a satélites geoestacionarios de comunicaciones, hoy en día constituyen una tecnología de generación eléctrica renovable.
Una de las principales virtudes de la tecnología fotovoltaica es su aspecto modular, pudiéndose construir desde enormes plantas fotovoltaicas en suelo hasta pequeños paneles para tejados.
los paneles o módulos fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles solares, aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (energía solar fotovoltaica).
El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:
Radiación de 1000 W/m²
Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
Los paneles fotovoltaicos, en función del tipo de célula que los forman, se dividen en:
Cristalinas
Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si) (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se puede apreciar en la imagen, se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular recortada).
Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.
Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.
Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y costo. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar al 10%, sin embargo su costo y peso es muy inferior.
El costo de los paneles fotovoltaicos se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales1 y su coste medio de generación eléctrica ya es competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.
Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
Telecomunicaciones y señalización La energía solar fotovoltaica es ideal para aplicaciones de telecomunicaciones, entre las que se encuentran por ejemplo las centrales locales de telefonía, antenas de radio y televisión, estaciones repetidoras de microondas y otros tipos de enlaces de comunicación electrónicos. Esto es debido a que, en la mayoría de las aplicaciones de telecomunicaciones, se utilizan baterías de
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almacenamiento y la instalación eléctrica se realiza normalmente en corriente continua (DC). En terrenos accidentados y montañosos, las señales de radio y televisión pueden verse interferidas o reflejadas debido al terreno ondulado. En estos emplazamientos, se instalan transmisores de baja potencia (LPT) para recibir y retransmitir la señal entre la población local.
Las células fotovoltaicas también se utilizan para alimentar sistemas de comunicaciones de emergencia, por ejemplo en los postes de SOS (Teléfonos de emergencia) en carreteras, señalización ferroviaria, balizamiento para protección aeronáutica, estaciones meteorológicas o sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.
Dispositivos aislados
La reducción en el consumo energético de los circuitos integrados, hizo posible a finales de la década de 1970 el uso de células solares como fuente de electricidad en calculadoras, tales como la Royal Solar 1, Sharp EL-8026 o Teal Photon.
Electrificación rural
En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, las placas fotovoltaicas se emplean como alternativa económicamente viable desde hace décadas. Para comprender la importancia de esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta parte de la población mundial todavía no tiene acceso a la energía eléctrica.
Sistemas de bombeo
Los sistemas de bombeo fotovoltaico pueden utilizarse para proporcionar agua en sistemas de riego, agua potable en comunidades aisladas o abrevaderos para el ganado.
También se emplea la fotovoltaica para alimentar instalaciones de bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el ganado, o para sistemas de desalinización de agua.
Las bombas utilizadas pueden ser tanto de corriente alterna (AC) como corriente continua (DC). Normalmente se emplean motores de corriente continua para pequeñas y medianas aplicaciones de hasta 3 kW de potencia, mientras que para aplicaciones más grandes se utilizan motores de corriente alterna acoplados a un inversor que transforma para su uso la corriente continua procedente de los paneles fotovoltaicos. Esto permite dimensionar sistemas desde 0,15 kW hasta más de 55 kW de potencia, que pueden ser empleados para abastecer complejos sistemas de irrigación o almacenamiento de agua.89 90
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Sistemas híbridos solar-diésel
Debido al descenso de costes de la energía solar fotovoltaica, se está extendiendo asimismo el uso de sistemas híbridos solar-diésel, que combinan esta energía con generadores diésel para producir electricidad de forma continua y estable. Este tipo de instalaciones están equipadas normalmente con equipos auxiliares, tales como baterías y sistemas especiales de control para lograr en todo momento la estabilidad del suministro eléctrico del sistema.
Transporte y navegación marítima
Aunque la fotovoltaica todavía no se utiliza de forma generalizada para proporcionar tracción en el transporte, se está utilizando cada vez en mayor medida para proporcionar energía auxiliar en barcos y automóviles. Algunos vehículos están equipados con aire acondicionado alimentado mediante paneles fotovoltaicos para limitar la temperatura interior en los días calurosos, mientras que otros prototipos híbridos los utilizan para recargar sus baterías sin necesidad de conectarse a la red eléctrica. Se ha demostrado sobradamente la posibilidad práctica de diseñar y fabricar vehículos propulsados mediante energía solar, así como barcos y aviones, siendo considerado el transporte rodado el más viable para la fotovoltaica.
El Solar Impulse es un proyecto dedicado al desarrollo de un avión propulsado únicamente mediante energía solar fotovoltaica. El prototipo puede volar durante el día propulsado por las células solares que cubren sus alas, a la vez que carga las baterías que le permiten mantenerse en el aire durante la noche.
La energía solar también se utiliza de forma habitual en faros, boyas y balizas de navegación marítima, vehículos de recreo, sistemas de carga para los acumuladores eléctricos de los barcos, y sistemas de protección catódica. La recarga de vehículos eléctricos está cobrando cada vez mayor importancia.
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Cómo funcionan los paneles solares
Como hemos dicho los paneles solares están formados por numerosas celdas solares. Las celdas solares son pequeñas células hechas de silicio cristalino o arseniuro de galio, es decir, las celdas son cristales de silicio o cristales de arseniuro de galio que son materiales semiconductores (es decir, materiales que pueden comportarse como conductores de electricidad o como aislantes, depende del estado en que se encuentren. Puedes pinchar en la palabra subrayada para saber más). Estos materiales se mezclan con otros como por ejemplo el fósforo o el boro para darles al silicio o al arseniuro de galio una carga positiva o negativa. Solamente si estas celdas tienen carga positiva y negativa pueden generar electricidad, de lo contrario no generarían electricidad. pero de forma fácil una parte de la celda solar se construye con un materia semiconductor al que le sobran electrones (carga negativa, semiconductor del tipo P) y otra parte se hace con
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un material semiconductor que le faltan electrones (con carga positiva o huecos en sus átomos, semiconductor tipo N).
Cuando esas celdas cristalinas cargadas positiva y negativamente se exponen a la luz del Sol directamente producen corriente. La energía del sol mueve los electrones de la parte de la celda que le sobran hacia la parte de la celda que le faltan (donde hay huecos). Este movimiento de electrones es la corriente eléctrica, por lo tanto ya hemos conseguido generar corriente eléctrica de un punto a otro. Todas juntas hacen que se produzca un campo eléctrico en el panel solar.
Entonces, el panel solar está compuesto de celdas solares positivas y negativas. Estas celdas se colocan en el panel intercalándolas y sujetándolas con hilo conductor. Luego el panel puede colocarse donde sea más conveniente.
Una vez colocado el panel, éste ya podrá recibir la luz directa del Sol. El Sol es la fuente más poderosa de energía para la Tierra. Sabemos que el Sol emite muchas partículas diferentes hacia la Tierra y los paneles solares están diseñados de tal manera que sólo absorban los fotones que emite el Sol, que son las partículas que reaccionarán con el silicio y el arseniuro generando electricidad en el panel.
Si queremos utilizar paneles solares para generar electricidad en nuestras viviendas tenemos que tener en cuenta que existen 3 tipos diferentes.
Paneles Solares Fotovoltaicos: Éstos son los que hemos explicado anteriormente y pueden generar suficiente energía para abastecer las necesidades de nuestros hogares.
Paneles Solares Térmicos: Estos paneles se recomienda usarlos en viviendas que tengan recepción directa del Sol con altas temperaturas y que tengan un espacio suficiente para colocarlos ya que son mayores que los anteriores porque si no no serían
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eficientes. Actúan de la misma forma que los fotovoltaicos pero aparte contienen un liquido que absorbe el calor. Estos paneles convierten la energía del Sol en energía térmica y transportan esta energía térmica hacia nuestros hogares.
Paneles Solares Termodinámicos: Éstos últimos son los que se están utilizando cada vez más en nuestros hogares debido a que son más eficientes, más baratos y se pueden utilizar aparte para muchas más cosas. Su principal ventaja es que pueden absorber energía a pesar de que llueva o esté nublado o sea de noche, etc. Estos paneles se basan en los principios fundamentales de la termodinámica, es decir, que pueden absorber cualquier tipo de energía de cualquier ambiente siempre y cuando la temperatura exterior no baje de los 0 grados. Están fabricados de aluminio y contienen unos canales por donde circula un líquido refrigerante, es decir, un liquido de bajo punto de ebullición que es capaz de absorber grandes cantidades de calor al producirse en él un cambio de estado (gas, líquido o sólido).
¿PARA QUÉ SE UTILIZAN LOS PANELES SOLARES?
Como ya hemos mencionado la principal utilidad de los paneles solares más conocida es para nuestros hogares que suelen colocarse en los techos de las casas. Para suministrar energía a nuestros electrodomésticos, para proporcionarnos luz, calentar agua, etc.
Los paneles solares también se utilizan para nuestros satélites, si, nuestros satélites poseen paneles solares. Esto es lo que conocemos como Energía solar Espacial. Los satélites llevan a bordo paneles solares que absorben la luz del Sol y generan electricidad que puede ser utilizada para el funcionamiento del propio satélite o también para transmitir esa energía a la Tierra. Por ejemplo, una estación satelital de energía solar puede enviar la energía recolectada del Sol a la Tierra en forma de microondas o láseres para zonas por ejemplo donde escasee la energía en la Tierra.
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¿QUÉ VENTAJAS POSEEN LOS PANELES SOLARES?
La principal ventaja de utilizar paneles solares es que producen energía limpia y renovable, sin tener que recurrir a los recursos fósiles y energía nuclear. Afortunadamente la era del petróleo está llegando a su fin. La energía solar no produce apenas contaminación y, sin embargo, el uso de recursos fósiles libera grandes cantidades de gases tóxicos hacia nuestra atmósfera.
Los paneles solares también ayudan a ahorrar energía e instalar un sistema renovable en casa es bastante rápido, aparte que el mantenimiento de estos paneles solares es mínimo y su vida es bastante larga. Aunque al principio puedan resultar algo caros, en cuestión de años habremos recuperado la inversión inicial y estaremos recibiendo energía solar en nuestros hogares de forma gratuita, cosa que no pasa con los combustibles fósiles.
Otra gran ventaja es la de por fin poder liberarnos del monopolio de las empresas que nos suministran energía. Nosotros mismos podemos ser nuestros propios suministradores de energía gracias a los paneles solares.
¿QUE DESVENTAJAS POSEEN LOS PANELES SOLARES?
Los paneles solares proporcionan energía limpia, sin embargo, su fabricación aún depende de energías no limpias. (El silicio o arseniuro de galio tienen que extraerse de la Tierra y luego son transformados en diferentes procesos para poder colocarlos en el panel, aparte de otros materiales que componen el panel).
Como hemos dicho, al principio son caros aunque luego se recupere el dinero a lo largo de su utilización. El precio de una instalación de paneles solares en una vivienda puede variar desde 13.000 euros a 30.000 euros dependiendo de las necesidades de cada casa.
Otra desventaja de los paneles solares, sobre todo los Fotovoltaicos es que dependen del clima. Si antes habíamos dicho que cuanta más luz reciban mejor, si vivimos en un clima escaso de Sol los paneles solares fotovoltaicos no nos serían muy útiles. Por eso es más habitual ver paneles solares en zonas de climas secos y cálidos que fríos y húmedos.
El espacio es otra de las desventajas, ya que para que los paneles solares funcionen con eficiencia necesitan cubrir bastante espacio. Por ejemplo, para una casa pequeña, el espacio que necesitan los paneles solares sería desproporcionado en comparación con la propia casa y sus elementos.
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Desarrollo de la energía solar fotovoltaica en el mundo
Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años. Alemania es, junto a Japón, China y Estados Unidos, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso. A finales de 2013, se habían instalado en todo el mundo cerca de 140 GW de potencia fotovoltaica, convirtiendo a la fotovoltaica en la tercera fuente de energía renovable más importante en términos de capacidad instalada a nivel global, después de las energías hidroeléctrica y eólica.
La considerable potencia instalada en Alemania (35 GW en 2014) ha protagonizado varios récords durante los últimos años. Durante dos días consecutivos de mayo de 2012, por ejemplo, las plantas fotovoltaicas instaladas en este país produjeron 22 000 MWh en la hora del mediodía, lo que equivale a la potencia de generación de veinte centrales nucleares trabajando a plena capacidad.
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Potencia fotovoltaica instalada en el mundo, en GW. Datos históricos hasta 2013 y previsión hasta 2018.
La energía solar fotovoltaica se usaba tradicionalmente desde su popularización a finales de los años 1970 para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica, pero sobre todo, de forma creciente durante los últimos años, para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución, bien mediante inyección a la red o para autoconsumo doméstico.
La energía solar fotovoltaica, una de las más prometedoras fuentes de energía limpia y renovable, afronta en la actualidad un grave problema generado por su imparable crecimiento: la escasez de silicio.
El Silicio utilizado en la fabricación de paneles solares, se precisa en un grado muy puro, obteniéndose a partir de un mineral, la cuarcita. Debido al enorme incremento en la producción de paneles solares (en torno al 40% anual en todo el mundo) el silicio empieza a escasear. Este material, el Silicio Grado Semiconductor es también la base de los componentes que fabrica la industria microelectrónica. El aumento en la capacidad de producción de paneles solares ha agotado las ampliaciones en la producción de Silicio, entrando la industria fotovoltaica en competición por el Silicio con la industria microelectrónica.
El crecimiento de la industria fotovoltaica es tal que si el año 2004 se precisaron 13000 t de Silicio, se estima que para el 2006 se necesitarán 21000 t y para el año 2020 se podrían llegar a necesitar 200000 t. Estos enormes incrementos en el silicio necesario precisan de una enérgica actividad de creación de nuevas factorías para la obtención y purificación de Silicio, que apenas se está llevando a cabo.
Por otro lado, para la fabricación de paneles solares, bastaría utilizar un silicio de un grado de pureza menor, denominado Silicio Grado Solar, menos puro que el que se
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precisa para la industria microelectrónica y en teoría más barato. Actualmente existen algunas pequeñas líneas de fabricación, previas a la producción en grandes cantidades. Ninguna de estas iniciativas se sitúa en España y además tampoco aseguran la disponibilidad de Silicio en un futuro cercano. Mientras tanto, las fábricas de paneles solares fotovoltaicos afrontan la carencia de Silicio y se ven obligadas a postergar ambiciosos planes de expansión.
Autoconsumo fotovoltaico
El autoconsumo fotovoltaico hace referencia a la producción individual de electricidad para el propio consumo, a través de paneles solares fotovoltaicos.
Esta práctica puede ser llevada a cabo por individuos, familias, empresas, centros públicos, etc., siempre y cuando la electricidad producida solo la utilicen los mismos. El sistema tecnológico que se utiliza para generar la electricidad es denominado sistema de autoconsumo.
Gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales y su coste medio de generación eléctrica ya es competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.
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Clasificación de sistemas de autoconsumo fotovoltaico
Los sistemas de autoconsumo se clasifican en aislados o con conexión a red según estén o no conectados a la red eléctrica.
Sistemas aislados: El sistema aislado se utiliza para producir electricidad que se consume en el instante o se almacena en una batería eléctrica para un posterior uso.
Sistemas de conexión a red: El sistema de conexión a red permite verter los excesos de electricidad, es decir, la que no se consume, a la red eléctrica. Este permite obtener un suministro de electricidad con el mecanismo de compensación diferida o balance neto, un sistema de compensación de saldos, gestionado por las compañías eléctricas, que descuenta de la electricidad obtenida de la red, los excesos de producción del sistema de autoconsumo. Esta práctica está sujeta a la legislación vigente en cada país.
Sistemas conmutados con la red: También se puede hacer un sistema conmutado con la red; bien con un conmutador aparte o integrado en el inversor (ya los hay disponibles en el mercado), que conmutan la instalación solar con la de la red en 10 milisegundos; con lo que convertimos la instalación solar en una aislada, pues nunca se "toca" con la compañía. Hacen falta unas baterías con un poco de acumulación, lo que no encarece demasiado la instalación en comparación con la de conexión, pero puede acogerse a la legislación de aislada.
Componentes de un sistema de autoconsumo fotovoltaico
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Instalación autoconsumo de conexión a red
Instalación fotovoltaica sobre el tejado de una vivienda en Alemania.
Un sistema de autoconsumo fotovoltaico de conexión a red está formado por el conjunto de paneles fotovoltaicos y un inversor.
Los paneles fotovoltaicos (A) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (electricidad solar). Algunas marcas que fabrican paneles fotovoltaicos para el autoconsumo son Suntech, Yingli, First Solar, Sharp Corporation yPhoenix Solar. En España, destacan Isofotón, Solaria y Atersa.
El inversor (B) es un aparato electrónico que convierte la corriente continua, generada, por ejemplo, por el panel fotovoltaico, en corriente alterna. Este se conecta a los paneles con un cable. Algunas marcas que fabrican inversores para conexión a red en autoconsumo son SMA Solar Technology, Sputnik Engineering,SolarEdge, etc.
Aparte de estos, los sistemas de autoconsumo pueden incorporar otros componentes, como los descritos a continuación.
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Una estructura para la sustentación de las placas fotovoltaicas.
Baterías o acumuladores para almacenar la energía. Estos son necesarios en el caso de sistema de autoconsumo aislados, no en los de conexión a red.
Cargadores de baterías.
Reguladores para controlar y gestionar las baterías. Son dispositivos que controlan constantemente el estado de carga de las baterías con la finalidad de alargar su vida útil y de protegerlas frente a sobrecargas y sobredescargas. Estos reguladores cuentan con microcontroladores que permiten gestionar los sistemas fotovoltaicos.
Accesorios para monitorizar el comportamiento del sistema. Permiten controlar los parámetros más importantes de las instalaciones fotovoltaicas.
Entre las ventajas del autoconsumo respecto al consumo de la red se encuentran las siguientes.
Con el abaratamiento de los sistemas de autoconsumo y el encarecimiento de las tarifas eléctricas, puede salir más barato que uno mismo produzca su propia electricidad.
Se reduce la dependencia de las compañías eléctricas.
Los sistemas de autoconsumo fotovoltaicos utilizan la energía solar, una fuente gratuita, inagotable, limpia y respetuosa con el medioambiente.
Se genera un sistema distribuido de generación eléctrica que reduce la necesidad de invertir en nuevas redes y reduce las pérdidas de energía por el transporte de la electricidad a través de la red.
Se reduce la dependencia energética del país con el exterior.
Se evitan problemas para abastecer toda la demanda en hora punta, conocidos por los cortes de electricidad y caidas de tensión.
Se minimiza el impacto de las instalaciones eléctricas en su entorno.
Costos de energía fotovoltaica
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El autoconsumo fotovoltaico consiste en la producción individual a pequeña escala de electricidad para el propio consumo, a través de equipos de electricidad renovable (paneles solares fotovoltaicos, aerogenerador) algunos de ellos autoinstalables. Se puede complementar con el balance neto en las instalaciones autónomas o bien facilitar la independencia energética (instalaciones desconectadas).
El balance neto permite verter a la red eléctrica el exceso producido por un sistema de autoconsumo con la finalidad de poder hacer uso de ese exceso en otro momento. De esta forma, la compañía eléctrica que proporcione la electricidad cuando la demanda sea superior a la producción del sistema de autoconsumo, descontará en el consumo de la red de la factura, los excesos vertidos a la misma.
En los últimos años, debido al creciente auge de pequeñas instalaciones de energía renovable, el autoconsumo con balance neto ha comenzado a ser regulado en diversos países del mundo, siendo una realidad en países como Alemania, Italia, Dinamarca, Japón, Australia, Estados Unidos, Canadá y México, entre otros, debido en parte a la constante bajada de coste de los módulos fotovoltaicos.
En 2013, el precio de los módulos solares se había reducido en un 80 % en 5 años, colocando a la energía solar por primera vez en una posición competitiva con el precio de la electricidad pagado por el consumidor en un buen número de países soleados. El coste medio de generación eléctrica de la energía solar fotovoltaica es ya competitivo con el de las fuentes convencionales de energía en una creciente lista de países, particularmente cuando se considera la hora de generación de dicha energía, ya que la electricidad es usualmente más cara durante el día.
Inversión – costos
Para evaluar los costos de instalar un parque solar fotovoltaico es necesario conocer una composición de costos referencial.
Como se ve en la Figura 3.8 para parques solares fotovoltaicos mayores a 100 kW de capacidad el costo por la compra de los paneles solares corresponde al 52% de la
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inversión, el costo por la compra de los inversores corresponde al 6% de la inversión, la compra en otros materiales (cables, fierros, etc.) corresponde al 11% de la inversión, el costo por trabajos de instalación corresponde al 10 % de la inversión y el costo por investigaciones, gastos generales y permisos corresponde al 21% de la inversión.
En resumen el costo más caro son los paneles solares. De ellos podemos encontrar varios precios según la tecnología a nivel mundial. En USA los paneles mono cristalinos cuestan alrededor de los $3.830US$/kWp, los paneles multi cristalinos cuestan alrededor de los 3.430US$/kWp Los paneles de segunda generación están entre los 3.000 – 2.510 $US/kWp
En Chile por el momento solo podemos encontrar paneles de primera generación (mono cristalinos y multi cristalinos) en los proveedores locales (www.ecopower.com). El precio de estos paneles va entre 2.500 – 3.000€/kWp. También se realiza cotización de inversores con proveedores locales (www.ecopower.com) obteniéndose un precio de 500€/kWp.
Otro estudio internacional (IEA, 2009) muestra que en parques fotovoltaicos el costo promedio de inversión es de 6.800US$/kW para USA y de 6.270US$/kW para Europa. El costo promedio de mantención y operación es de de 44US$/kW para USA y de 41US$/kW para Europa (Ver Anexo A).
Si se considera que los paneles solares son el 52% del costo de inversión en Chile de implementar un parque fotovoltaico debería estar en el orden de los 4.808 – 5.770€/kW. Esto serían entre unos 5.770 – 6.924US$/kW.
Estos valores son muy cercanos los del estudio de la IEA, lo cual reafirma que el rango de 5.770 – 6.924 US$/kW es un rango valido. Por otro lado, el costo finalmente depende mucho del poder de negociación que tenga la empresa.
Concentración Solar (CSP)
En la Figura 3.9 se muestra la composición de costos de la instalación de una planta de torre de poder.
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En Chile esta tecnología aun no está madura por lo cual no existen proveedores que las ofrezcan.
Un estudio internacional (IEA, 2009) muestra que en parques de concentración solar el costo promedio de inversión es de 3.970US$/kW para USA y de 4.110US$/kW para Europa. El costo promedio de mantención y operación es de de 99US$/kW para USA y de 103US$/kW para
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La energía del futuro
Según informes de Greenpeace, la fotovoltaica podrá suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. Y según un estudio publicado en 2007 por el Consejo Mundial de Energía, para el año 2100 el 70 % de la energía consumida será de origen solar.
Por otro lado, algunos países, como es el caso de Tokelau, un archipiélago ubicado en el océano Pacífico, no cuentan con mix eléctrico, ya que obtienen toda la electricidad que necesitan del sol. El país lo forman unos 125 islotes que abarcan un área de 10 km² y cuenta con cerca de 1.500 habitantes. La situación geográfica del archipiélago hace que el uso de combustibles fósiles sea comparativamente mucho más caro y difícil de mantener que un sistema fotovoltaico.
La instalación de Tokelau es un ejemplo del que ya han tomado nota otros países de Oceanía. De hecho, las vecinas Islas Cook y el archipiélago de Tuvalu también pretenden abastecerse completamente a partir de energías renovables para el año 2020
Las primas de la energía solar sigue imparable, y es que los datos demuestran que las primas de la energía renovables siguen imparables, lo que quiere decir que las primas de las mismas han obtenido una cifra de 5886 millones de euros.
Es por ello, que gran parte de las primas han sido dedicadas hacia las primas para la energía solar, ya que la mitad de los 5886 millones de euros han sido destinados a este tipo de energías renovables.
Hay que recordar que estas primas son pagadas por todos los consumidores de electricidad, lo que quiere decir que todos los consumidores estamos colaborando a que estas primas aumenten cada vez más en nuestros recibos de la luz sin darnos cuenta.
Todo ello, está haciendo que el déficit de tarifa cada vez sea mayor, ya que la producción solar aún está por encima del precio que se está pagando por la energía a día
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de hoy, lo que quiere decir que el déficit de tarifa seguirá creciendo en caso de que el recibo de la luz no suba finalmente en el mes de enero del año 2011.
Como todos sabemos una de las fuentes de energía más importantes del mundo es la energía solar, por lo que el mercado chino ha inventado el aire acondicionado por energía solar.
Este puede ser un gran invento, ya que como todos sabemos el aire acondicionado es uno de los electrodomésticos que más energía gastan, lo que quiere decir que al haberse inventado un aire acondicionado por energía solar, este será un gran invento para la población, ya que evitará pasar calor en los días más calurosos sin gastar nada más que energía solar únicamente, por lo que el nivel de contaminación será nulo.
Pero este tipo de aire acondicionado por energía solar hay que decir que no se han desarrollado perfectamente, por lo que el mercado chino ha decidido sacar a la venta en EEUU una gama de 50000 unidades de aire acondicionado que funcionan parcialmente con energía solar para ver qué ventajas ofrecen los mismos y sobre todo que demanda tienen para seguir apostando por este tipo de electrodomésticos.
Es por todo ello, por lo que se espera que la versión de aire acondicionado por energía solar total se cree y se comercialice el próximo año, ya que esperan que este tipo de aparatos tengan una gran acogida en todo el mundo, pero sobre todo en las zonas más calurosas de Estados Unidos, las cuales además fomentan este tipo de energías.
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Conclusión
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Bibliografía
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar
http://www.artinaid.com/2013/04/usos-de-la-energia-solar/
http://www.educa.madrid.org/web/ies.victoriakent.torrejondeardoz/ Departamentos/DFyQ/energia/e-3/pagina_n.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADa_solar_activa
http://web.ing.puc.cl/power/alumno10/tecnologias/Paginas/ERNC%60s/ Solar/costo-solar.html
http://www.energiasolartermica.biz/
https://www.google.com/#q=paneles+solares+fotovoltaicos+funcionamiento
http://www.ecologistasenaccion.org/article.php3?id_article=2105
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Anexos
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