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GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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PROFESOR:
ING. ABANTO TORRES, EMBER
INTEGRANTES:
ABARCA GALICIO, MONICA
CÓRDOVA ARIAS, EVELYN
INFANTE GUERRERO, GIOVANA
LAZO HUAMANÍ, KENJY
QUEREVALÚ IZQUIERDO, IRWIN
2015
FACULTAD DE INGENIERÍA GEOGRÁFICA
AMBIENTAL Y ECOTURISMO
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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CONTENIDO
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR ...........................................................................................3
INTRODUCCIÓN .........................................................................................................................4
OBJETIVO DEL INFORME: ........................................................................................................5
1. ENERGÍA SOLAR. ...............................................................................................................6
1.1. ENERGÍA PROVENIENTE DEL SOL. ........................................................................8
2. TECNOLOGÍAS DE LA ENERGÍA SOLAR. ......................................................................8
2.1. ENERGÍA SOLAR PASIVA. ........................................................................................8
2.2. ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA. .................................................................12
2.3. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. ...................................................................................15
2.4. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ......................................................................37
2.5. ENERGÍA EÓLICO SOLAR. ......................................................................................57
2.6. ENERGÍA SOLAR HÍDRICA. ....................................................................................60
3. ENERGÍA DEL FUTURO. ..................................................................................................64
4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR. ............................................66
4.1. VENTAJAS DE LA ENERGIA SOLAR. ....................................................................66
4.2. DESVANTAJAS DE LA ENERGIA SOLAR. ............................................................69
5. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR EN EL PERÚ. ............................................70
5.1. EJEMPLOS DE APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR EN EL PERÚ. ..........72
CONCLUSIONES: ......................................................................................................................79
BIBLIOGRAFIA: ........................................................................................................................80
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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GENERACIÓN DE ENERGÍA
SOLAR
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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INTRODUCCIÓN
La energía solar es una de las fuentes de energía renovable que más desarrollo está
experimentando en los últimos años y con mayores expectativas para el futuro.
Cada año el sol arroja 4000 veces más energía que la que se consume, lo que demuestra que
esta fuente energética está aún infravalorada y poco explotada en relación a sus
posibilidades.
El aprovechamiento de la energía solar consiste en captar por medio de diferentes
tecnologías la radiación del sol que llega a la tierra con el fin de emplear esa energía para
diferentes usos, como calentar agua, generar electricidad, etc.
España, por su privilegiada situación y climatología, se ve particularmente favorecida
respecto al resto de los países de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo
inciden al año unos 1.500 kilovatios-hora de energía, cifra similar a la de muchas regiones
de América Central y del Sur. Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser
convertida en otras formas útiles como, por ejemplo, en electricidad.
Pero no sólo es importante que haya mucha radiación solar, la bajas temperaturas también
mejoran la eficiencia de los sistemas que transforman la energía solar en electricidad. Por
ejemplo, en la costa y otros lugares ventosos se ven favorecidos por las bajas temperaturas,
ya que a pesar de tener menos radiación que Andalucía, en este caso no existe el riesgo de
que los excesos de temperatura afecten al rendimiento de las placas solares.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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OBJETIVO DEL INFORME:
- El objetivo de este informe es difundir información técnica sobre la energía solar
térmica y fotovoltaica describiendo su tecnología, su aplicación en la industria así
como sus beneficios, inconvenientes y aplicaciones en el Perú.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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1. ENERGÍA SOLAR.
La energía solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de
la 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. En la actualidad, el calor y la luz del Sol
puede aprovecharse por medio de diversos captadores como células fotovoltaicas,
helióstatos o colectores térmicos, pudiendo transformarse en energía o térmica. Es
una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que podrían ayudar a
resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad.
Las diferentes tecnologías solares se pueden clasificar en pasivas o activas según
cómo capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas
incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores solar 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.
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 fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población
mundial en 2030.
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,4 aumentando a su vez la
eficiencia, y su coste medio de generación eléctrica ya es competitivo con las
energías no renovables5 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.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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La planta termo solar 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
Viviendas sostenibles alimentadas mediante energía solar fotovoltaica en el barrio solar
de Vauban (Friburgo, Alemania).
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1.1. ENERGÍA PROVENIENTE DEL SOL.
La Tierra recibe 174 petavatios de radiación solar entrante (insolación) desde la
capa más alta de la atmósfera. Aproximadamente el 30 % regresa al espacio,
mientras que las nubes, los océanos y las masas terrestres absorben la restante. El
espectro electromagnético de la luz solar en la superficie terrestre lo ocupa
principalmente la luz visible y los rangos de infrarrojos con una pequeña parte de
radiación ultravioleta.
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/m en la superficie terrestre. Esta
potencia se denomina irradiación, 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.
Aproximadamente la mitad de la energía proveniente del Sol alcanza la superficie terrestre.
2. TECNOLOGÍAS DE LA ENERGÍA SOLAR.
2.1. ENERGÍA SOLAR PASIVA.
La energía solar pasiva consiste en aprovechar el aporte directo de la radiación
solar. Aplicada en el caso de un hogar –que es lo que nos interesa hoy- implica un
diseño arquitectónico especial para maximizar el aprovechamiento energético. Los
elementos más importantes son: fachadas dobles, orientación hacia el sur y
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superficies vidriadas, entre otros. Gracias a ella podemos obtener iluminación y
calefacción de forma sostenible y generando un importante ahorro energético.
La energía solar pasiva o bioclimática no utiliza elementos mecánicos extras para su
producción (como podrían ser los paneles solares), sino que se basa en el diseño, en
los materiales de la construcción, y en el aprovechamiento de los recursos naturales
(energía solar, viento).
En esta casa, un espacio solar sirve de colector en invierno cuando las persianas
están abiertas y de refrigerador o nevera en verano cuando están cerradas.
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Algunos de los elementos básicos para la obtención de energía solar pasiva son:
Se utilizan acristalamientos y/o muros colectores orientados específicamente
(hacia el Sur, si estamos en el hemisferio norte) para captar la energía solar,
por efecto invernadero el calor es retenido.
Se realizan aislamientos para la conservación del calor en la pared de
orientación norte.
El calor obtenido de paredes y techos forma una masa térmica, cuya energía
se almacena y se transfiere al interior de la vivienda.
La refrigeración se maneja evitando el ganancia de calor para lo que se
emplean con alerones, persianas y persianas. Otro método es la extracción
de calor de noche.
La iluminación natural se genera con paneles reflectantes que envían la luz
al interior. Las pinturas claras ayudan a aprovechar mejor la luminosidad
obtenida con energía solar pasiva.
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2.1.1. VENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR PASIVA.
Por un lado, es una energía renovable, que proviene de una fuente de energía
inagotable a muy largo plazo como es el sol. Es decir, la radiación solar
siempre va a existir y, por tanto, siempre podrás producir calor. Es evidente,
eso sí, que dependiendo de la zona, el clima o la época del año, se producirá
más o menos energía.
Es una energía totalmente respetuosa con el medio ambiente. Para producir
este tipo de energía no es necesario ningún proceso de combustión y, por
tanto, no se sueltan humos ni sustancias contaminantes a la atmósfera, lo que
ayuda a proteger la capa de ozono, prevenir el efecto invernadero y a evitar
fenómenos producidos por la contaminación como la lluvia ácida.
La energía solar pasiva es una energía de apoyo que puede ser muy
beneficiosa en el hogar, proporcionando el calor necesario o
complementario, es decir, reduciendo nuestra factura de luz o calefacción.
Las instalaciones de energía solar pasiva son al gusto de cada uno, es decir,
tú decides cuántos paneles quieres colocar y cuánta energía quieres producir.
Para ello, es importante que sepas la cantidad de energía que se gasta en tu
hogar periódicamente (al mes, por ejemplo).
Además, y siguiendo con la instalación, es realmente sencillo instalar
infraestructuras para crear energía solar pasiva. No se requiere de grandes
desembolsos ni de instalaciones a gran escala. Incluso uno mismo puede
realizar sus propios paneles solares caseros. Asimismo, el mantenimiento
tampoco es excesivamente complicado.
El uso de la energía solar pasiva conciencia a pequeños y a grandes de la
posibilidad de utilizar fuentes de energía naturales y renovables sin
necesidad de seguir acabando con los recursos del planeta.
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2.2. ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA.
La energía solar termoeléctrica o energía termosolar es la tecnología que usa el
calor del Sol para generar electricidad. Este proceso se lleva a cabo en las llamadas
centrales solares termoeléctricas o centrales termosolares, que se empezaron a
construir en Europa y Japón a principios de los 80. Las ventajas de esta fuente de
energía es que es limpia, abundante y renovable: cada diez días, la Tierra recibe una
energía del Sol que equivale a todas las reservas conocidas de petróleo, gas y
carbón.
Actualmente conviven varios tipos de centrales solares termoeléctricas. España está
excelentemente posicionada en este sector, ya que cuenta con diversas plantas
termosolares y un potente sector industrial que participa en proyectos en todo el
mundo.
Central de Torre (Alta Temperatura).
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¿Cómo funciona la energía solar termoeléctrica?
El funcionamiento de una planta termosolar es similar al de una central térmica,
pero en lugar de carbón o gas utiliza la energía del sol. Los rayos solares se
concentran mediante espejos en un receptor que alcanza temperaturas de hasta 1.000
ºC. Este calor se usa para calentar un fluido y generar vapor, que mueve una turbina
y produce la electricidad. Aunque las primeras centrales sólo podían operar durante
las horas de irradiación solar, hoy en día es posible almacenar el calor para producir
de noche.
2.2.1. TIPOS DE CENTRALES SOLARES TERMOELÉCTRICAS.
Actualmente existen tres grandes tipos de centrales termosolares. La forma de
producir la electricidad es similar; la diferencia radica en cómo se concentra la
energía del sol.
Central de torre.
Utiliza un conjunto de espejos orientables (denominados heliostatos) que
concentran los rayos solares en un receptor situado en una torre. Es una
tecnología probada, eficaz y rentable a medio plazo. Las primeras centrales
experimentales de este tipo se construyeron en Almería (España) y Nio (Japón)
en 1981. El reto actual pasa por reducir los costes de construcción de las plantas
termosolares de torre.
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Central de disco parabólico.
Esta clase de central termosolar, utiliza un espejo en forma de disco parabólico
para concentrar los rayos del sol en un motor Stirling situado en el foco de la
parábola, por eso también se denomina central de disco-Stirling. El calor
acumulado eleva la temperatura del aire, lo cual acciona el motor Stirling y
mueve una turbina que genera electricidad. La planta de disco parabólico más
conocida es la de Mojave (Estados Unidos).
Central de cilindro parabólico.
Este tipo de plantas son las más prometedoras desde el punto de vista comercial.
Usan espejos en forma de cilindros parabólicos por cuyo eje discurre una tubería
donde se concentran los rayos del sol. La tubería contiene un fluido que se
calienta y genera vapor que mueve una turbina. Están operativas centrales
solares cilindro parabólico en España y otros países.
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2.2.2. DESARROLLO DE LA ENERGÍA SOLAR TERMOELÉCTRICA.
Los principios básicos de la energía termosolar fueron definidos por Augustin
Mouchot en 1878 y en los años 80 varias experiencias demostraron su
viabilidad. Sin embargo, hasta hace poco la energía solar termoeléctrica se había
visto frenada por tres factores:
a) El alto coste de los materiales, que se ha empezado a reducir a medida
que se ha desarrollado la tecnología y aumentado el volumen de
producción.
b) La imposibilidad de almacenar la energía para producir por la noche.
Esta limitación se ha comenzado a superar recientemente mediante
tecnologías que conservan el calor. Por ejemplo, la planta de Gemasolar
en Sevilla emplea sales fundidas para almacenar el calor, gracias a lo
cual se ha convertido en la primera central termosolar capaz de
suministrar energía 24 horas seguidas.
c) La necesidad de una gran irradiación solar a lo largo de todo el año, lo
cual limitaba la implantación de esta energía a las regiones más
meridionales. Sin embargo, proyectos ambiciosos como Desertec
proponen instalar las plantas en zonas como el desierto del Sahara y
luego transportar la electricidad a Europa.
Actualmente se desarrollan numerosos proyectos termosolares en países como
Argelia, Marruecos, Estados Unidos o Australia.
2.3. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA.
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, 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.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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2.3.1. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN.
Una instalación Solar Térmica está formada por captadores solares, un circuito
primario y secundario, intercambiador de calor, acumulador, vaso de expansión
y tuberías. Si el sistema funciona por Termosifón será la diferencia de densidad
por cambio de temperatura la que moverá el líquido. Si el sistema es forzado
entonces necesitaremos además: bombas y un panel de control principal.
2.3.1.1. CAPTADORES SOLARES
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 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 eloxat, una junta perimetral libre de siliconas,
aislante térmico respetuoso con el medio ambiente de lana de roca, cubierta de
vidrio solar de alta transparencia , y finalmente por tubos soldados ultrasónicos.
Sistema de energía solar térmica
para el calentamiento de agua en
Santorini, Grecia.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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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.
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.
Captadores solares de placa plana.
El alma del sistema es una verja vertical de tubos metálicos, para simplificar,
que conducen el agua fría en paralelo, conectados por abajo por un tubo
horizontal en la toma de agua fría y por arriba por otro similar al retorno.
La parrilla viene encajada en una cubierta, como la descrita más arriba,
normalmente con doble vidrio para arriba y aislante por detrás.
En algunos modelos, los tubos verticales están soldados a una placa metálica
para aprovechar la insolación entre tubo y tubo.
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Colectores planos colocados en un tejado
Captadores solares de tubos de vacío "todo vidrio", sin tubo de cobre.
En este sistema los tubos metálicos del sistema precedente se sustituyen por
tubos de vidrio, introducidos, de uno en uno, en otro tubo de vidrio entre los que
se hace el vacío como aislamiento. Las grandes ventajas que presentan estos
tipos de captadores son su alto rendimiento (196% más eficientes que las placas
planas)[cita requerida] y que, en caso de que uno de los tubos se estropeara, no
hay que cambiar todo el panel por uno nuevo, sino que sólo hay que cambiar el
tubo afectado. Además son más baratos en su fabricación, ya que los nuevos
tubos son 100% cristal borosilicato y no utilizan tubo de cobre, lo que reduce los
costes anteriormente mencionados.
Panel solar de tubos de vacío instalados sobre un tejado
Captadores solares de tubos de vacío con "tubos de calor" por cambio de
fase, con tubo de cobre.
Este sistema aprovecha el cambio de fase de vapor a líquido dentro de cada
tubo, para entregar energía a un segundo circuito de líquido de transporte.
Los elementos son tubos cerrados, normalmente de cobre, que contienen el
líquido que, al calentarse por el sol, hierve y se convierte en vapor que sube a la
parte superior donde hay un cabezal más ancho (zona de condensación), que en
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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la parte exterior está en contacto con el líquido transportador, el cual siendo más
frío que el vapor del tubo, capta el calor y provoca que el vapor se condense y
caiga en la parte baja del tubo para volver a empezar el ciclo.
El líquido del tubo puede ser agua, a la que se le ha reducido la presión hasta un
vacío parcial, tendrá un punto de ebullición bajo, lo que permite trabajar incluso
con la insolación de los rayos infrarrojos en caso de presencia de nubes.
El tubo de calor (o tubo de cobre) se puede envolver con una chaqueta de
materiales especiales para minimizar las pérdidas por irradiación.
El tubo de calor se cierra dentro de otro tubo de vidrio entre los que se hace el
vacío como aislamiento. Se suelen emplear tubos de vidrio resistente, para
reducir los daños en caso de pequeñas granizadas.
Son hasta un 163% más eficientes que las placas planas con serpentín e
igualmente más baratos en su fabricación con respecto a las placas planas, pues
el precio del cristal es más bajo que el cobre del serpentín que contiene la placa
plana.
2.3.1.2. CIRCUITO PRIMARIO.
El circuito primario, es circuito cerrado, transporta el calor desde el captador
hasta el acumulador (sistema que almacena calor). El líquido calentado (agua o
una mezcla de sustancias que puedan transportar el calor) lleva el calor hasta el
acumulador. Una vez enfriado, vuelve al colector para volver a calentar, y así
sucesivamente.
Un sistema de paneles solares
de tubos de vacío
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2.3.1.3. INTERCAMBIADOR DE CALOR
El intercambiador de calor calienta el agua de consumo a través del calor
captado de la radiación solar. Se sitúa en el circuito primario, en su extremo.
Tiene forma de serpentín, ya que así se consigue aumentar la superficie de
contacto y por lo tanto, la eficiencia.
El agua que entra en el acumulador, siempre que esté más fría que el serpentín,
se calentará. Esta agua, calentada en horas de sol, nos quedará disponible para el
consumo posterior.
2.3.1.4. ACUMULADOR.
El acumulador es un depósito donde se acumula el agua calentada útil para el
consumo. Tiene una entrada para el agua fría y una salida para la caliente. La
fría entra por debajo del acumulador donde se encuentra con el intercambiador,
a medida que se calienta se desplaza hacia arriba, que es desde donde saldrá el
agua caliente para el consumo.
Internamente dispone de un sistema para evitar el efecto corrosivo del agua
caliente almacenada sobre los materiales. Por fuera tiene una capa de material
aislante que evita pérdidas de calor y está cubierto por un material que protege
el aislamiento de posibles humedades y golpes.
2.3.1.5. CIRCUITO SECUNDARIO.
El circuito secundario o de consumo, (circuito abierto), entra agua fría de
suministro y por el otro extremo del agua calentada se consume (ducha,
lavabo,...). El agua fría pasa por el acumulador primeramente, donde calienta el
agua hasta llegar a una cierta temperatura. Las tuberías de agua caliente del
exterior, deben estar cubiertas por aislantes.
2.3.1.6. BOMBAS.
Las bombas, en caso de que la instalación sea de circulación forzada, son de tipo
recirculación (suele haber dos por circuito), trabajando una la mitad del día, y la
pareja, la mitad del tiempo restante. La instalación consta de los relojes que
llevan el funcionamiento del sistema, hacen el intercambio de las bombas, para
que una trabaje las 12 horas primeras y la otra las 12 horas restantes. Si hay dos
bombas en funcionamiento, hay la ventaja que en caso de que una deje de
funcionar, está la sustituta, de modo que así no se puede parar el proceso ante el
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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fallo de una de estas. El otro motivo a considerar, es que gracias a este
intercambio la bomba no sufre tanto, sino que se la deja descansar, enfriar, y
cuando vuelve a estar en buen estado (después de las 12 horas) se vuelve a
poner en marcha. Esto ocasiona que las bombas puedan alargar durante más el
tiempo de funcionamiento sin tener que hacer ningún tipo de mantenimiento
previo.
En total y tal como se define anteriormente, suele haber 4 bombas, dos en cada
circuito. Dos en el circuito primario que bombean el agua de los colectores y las
otras dos en el circuito secundario que bombean el agua de los acumuladores, en
el caso de una instalación de tipo circulación forzada.
2.3.1.7. VASO DE EXPANSIÓN.
El vaso de expansión absorbe variaciones de volumen del fluido calo portador,
el cual circula por los conductos del captador, manteniendo la presión adecuada
y evitando pérdidas de la masa del fluido. Es un recipiente con una cámara de
gas separada de la de líquidos y con una presión inicial en función de la altura
de la instalación.
Lo que más se utiliza es con vaso de expansión cerrado con membrana, sin
transferencia de masa en el exterior del circuito.
2.3.1.8. TUBERÍAS.
Las tuberías de la instalación se encuentran recubiertas de un aislante térmico
para evitar pérdidas de calor con el entorno. Antiguamente se utilizaban tuberías
de cobre. Luego se utilizó tubos PEX-AL-PEX, consistentes en tres capas
plástico-aluminio-plástico, mucho más baratos y con mayor vida útil que la
tubería de cobre tradicional. Al pasar los años de uso del equipo y por la
acumulación de radiación solar, se encontró que el PEX se cristalizaba
destruyéndose por presión. Actualmente, se utiliza para circuito cerrado cañerías
de acero inoxidable BPDN aislada con espuma elastomérica y rodeada de una
mica de EPDM que da aislamiento térmico y proporciona durabilidad al
proteger contra la radiación, y fallas por ruptura de uniones y soldaduras.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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2.3.1.9. PANEL DE CONTROL.
Se dispone también de un panel principal de control en la instalación, donde se
muestran las temperaturas en cada instante (un regulador térmico), de manera
que pueda controlarse el funcionamiento del sistema en cualquier momento.
Aparecen también los relojes encargados del intercambio de bombas.
Durante el verano, se pueden cubrir las placas, a fin de evitar que se estropeen
por las altas temperaturas o bien se pueden utilizar para producir frío solar(aire
acondicionado frío).
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2.3.2. EQUIPOS.
Especialmente populares son los equipos domésticos compactos, compuestos
típicamente por un depósito de unos 150 litros de capacidad y un colector de
unos 2 m². Estos equipos, disponibles tanto con circuito abierto como cerrado,
pueden suministrar el 90% de las necesidades de agua caliente anual para una
familia de 4 personas, dependiendo de la radiación y el uso. Estos sistemas
evitan la emisión de hasta 4,5 toneladas de gases nocivos para la atmósfera. El
tiempo aproximado de retorno energético (tiempo necesario para ahorrar la
energía empleada en fabricar el aparato) es de un año y medio
aproximadamente. La vida útil de algunos equipos puede superar los 25 años
con un mantenimiento mínimo, dependiendo de factores como la calidad del
agua.
Estos equipos pueden distinguirse entre:
Equipos de Circulación forzada: Compuesto básicamente de captadores, un
acumulador solar, un grupo hidráulico, una regulación y un vaso de expansión.
Equipos por Termosifón: Cuya mayor característica es que el acumulador se
sitúa en la cubierta, encima del captador.
Equipos con Sistema Drain-Back: Un sistema compacto y seguro, muy
apropiado para viviendas unifamiliares.
Es habitual encontrarse con instalaciones en las que el acumulador contiene una
resistencia eléctrica de apoyo, que actúa en caso de que el sistema no sea capaz
de alcanzar la temperatura de uso (normalmente 40 °C); en España esta opción
ha quedado prohibida tras la aprobación del CTE (Código Técnico de la
Edificación) ya que el calor de la resistencia puede, si el panel está más frío que
el acumulador integrado, calentar el panel y perder calor, y por lo tanto energía,
a través de él. En algunos países se comercializan equipos que utilizan el gas
como apoyo.
Las características constructivas de los colectores responden a la minimización
de las pérdidas de energía una vez calentado el fluido que transcurre por los
tubos, por lo que se encuentran aislamientos a la conducción (vacío u otros) y a
la rerradiación de baja temperatura.
Además de su uso como agua caliente sanitaria, calefacción y refrigeración
(mediante máquina de absorción), el uso de placas solares térmicas
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(generalmente de materiales baratos como el polipropileno) ha proliferado para
el calentamiento de piscinas exteriores residenciales, en países donde la
legislación impide el uso de energías de otro tipo para este fin.
2.3.3. LOS COLECTORES DE ENERGÍA SOLAR TÉRMICA.
Están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura. Los
colectores de baja temperatura generalmente son placas planas usadas para
calentar agua. Los colectores de temperatura media también usualmente son
placas planas usadas para calentar agua o aire para usos residenciales o
comerciales. Los colectores de alta temperatura concentran la luz solar usando
espejos o lentes y generalmente son usados para la producción de energía
eléctrica.
2.3.3.1. 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.
El colector solar plano es el aparato más representativo de la tecnología solar
fototérmica.
Está constituido básicamente por:
Marco de aluminio anodizado.
Cubierta de vidrio templado, bajo contenido en hierro.
Placa absorbedora. Enrejado con aletas de cobre.
Cabezales de alimentación y descarga de agua.
Aislante, usualmente poliestireno, o unicel.
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
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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.
Calor para procesos
Los sistemas de calefacción solar para procesos están diseñados para
proporcionar grandes cantidades de agua caliente o calefacción de espacios para
edificios de uso no residencial.
Las piscinas de evaporación son piscinas de baja profundidad que concentran
sólidos disueltos a través de la evaporación. El uso de piscinas de evaporación
para obtener sal del agua salada es una de las aplicaciones más antiguas de la
energía solar. Los usos modernos incluyen la concentración de soluciones de
salmueras usadas en la minería por lixiviación y la remoción de sólidos
disueltos de los flujos de desechos. En conjunto, las piscinas de evaporación
representan una de las aplicaciones comerciales más grandes de la energía solar
actualmente en uso.
Los colectores transpirados sin vidrios (en inglés: Unglazed Transpired
Collectors, UTC) son muros perforados que enfrentan al sol usados para
precalentar el aire de ventilación. Los UTC pueden aumentar la temperatura del
aire hasta 22 °C y son capaces de entregar temperaturas de salida entre 45-60
°C. El corto período de amortización de los colectores transpirados (entre 3 a 12
años) los hacen una alternativa más costo-efectiva que los sistemas de
recolección vidriados. Al año 2009, se han instalado mundialmente sobre 1.500
sistemas con un área de colectores total de 300.000 m2. Ejemplos típicos
incluyen un colector de 860 m2 en Costa Ricausado para secar granos de café y
un colector de 1.300 m2 en Coimbatore, India usado para secar caléndulas.
Una instalación de procesamiento de comida ubicada en Modesto, California
usa cilindros parabólicos para producir vapor usado en el proceso de
fabricación. Se espera que el área de colectores de 5.000 m2 proporcione 15 TJ
por año.
2.3.3.2. COLECTORES DE TEMPERATURA MEDIA.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
26
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.
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.
Secado solar
La energía térmica solar puede ser útil para el secado de madera para la
construcción y de madera para combustible tales como chips de madera para la
combustión. También es usada para secar alimentos tales como frutas, granos y
pescados. El secado de cultivos por medio de la energía solar térmica es
ambientalmente amigable así como económica mientras que mejora la calidad
del resultado. Las tecnologías en secado solar son variadas. Los más simples
utilizan una malla tendida al sol, mientras que los de tipo industrial utilizan
colectores de aire vidriados que conducen el aire caliente a una cámara de
secado. La energía térmica solar también es útil en el proceso de secado de
productos tales como chips de madera y otras formas de biomasa elevando la
temperatura mientras que permiten que el aire pase a través de ella y saquen la
humedad.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
27
Cocción mediante energía solar térmica
Las cocinas solares usan la luz del sol para cocinar, secar y pasteurización. La
cocina solar reduce el consumo de combustible, ya sea combustibles fósiles o
leña, y mejora la calidad del aire reduciendo o removiendo la fuente de humo.
La forma más simple de cocina solar es la caja de cocción que fue construida
por primera vez por Horace-Bénédict de Saussure en el año 1767. Un caja de
cocción básica consiste de un contenedor aislado con una tapa transparente.
Estas cocinas pueden ser usadas efectivamente con cielos parcialmente cubiertos
y normalmente alcanzan temperaturas de entre 50–100 °C.
Las cocinas solares de concentración usan reflectores para concentrar la energía
solar en un contenedor de cocción. Las geometrías de reflector más comunes
son las placas planas, de disco y cilíndrico-parabólicas. Estos diseños cocinan
más rápido y a temperaturas más altas (hasta los 350 °C) pero requieren de luz
solar directa para funcionar en forma adecuada.
La Cocina Solar en Auroville, India usa una tecnología de concentración única
conocida como el tazón solar. Al contrario de los sistemas de convencionales de
receptores fijos o de reflectores de seguimiento, el tazón solar usa un reflector
esférico fijo con un receptor que sigue el foco de luz a medida de que el sol
cruza el cielo. El receptor del tazón solar alcanza temperaturas de 150 °C que es
usado para producir vapor que ayuda a la cocción de 2000 raciones diarias.
Muchas otras cocinas solares en India usan otra tecnología de concentración
única conocida como el reflector Scheffler. Está tecnología fue desarrollada por
primera vez por Wolfgang Scheffler en el año 1986. Un reflector Scheffler es un
disco parabólico que usa un solo eje de seguimiento para perseguir el curso
diario del sol. Estos reflectores tienen una superficie reflectante flexible que es
capaz de cambiar su curvatura para ajustarse a las variaciones estacionales en el
ángulo de incidencia de la luz solar. Los reflectores Scheffler tienen la ventaja
de tener un punto focal fijo lo que mejora la facilidad de cocción y son capaces
de alcanzar temperaturas de entre 450 a 650 °C. En el año 1999 en Abu Road,
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
28
Rajasthan, India se construyó el sistema de reflectores Scheffler más grande del
mundo, este es capaz de cocinar hasta 35.000 raciones diarias. A principios del
año 2008 han sido fabricadas sobre 2000 grandes cocinas, que usan el diseño
Scheffler, a nivel mundial.
Destilación
Los destiladores solares pueden ser usado para procesar agua potable en áreas
donde el agua limpia no es común. La energía solar calienta el agua en el
contenedor, luego el agua se evapora y se condensa en el fondo de la cubierta de
vidrio.
2.3.3.3. 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.
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,
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
29
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. La confiabilidad puede ser mejorada aún
más al instalar un sistema de respaldo que use un sistema de combustión interna.
Este sistema de respaldo puede usar la mayor parte de las instalaciones de la
planta CSP, lo que hace disminuir el costo del sistema de respaldo.
Superados los temas de confiabilidad, con desiertos desocupados, sin problemas
de polución y sin costos asociados al uso de los combustible fósiles, los
principales obstáculos para el despliegue a gran escala de las centrales CSP son
los costos, la contaminación estética, el uso del suelo y factores similares para
las líneas de transmisión eléctrica de alta tensión. Aunque solo se necesita un
pequeño porcentaje de los desiertos para abastecer los requerimientos globales
de electricidad, aún esto es una gran superficie cubierta con espejos o lentes que
se necesitan para obtener una cantidad significativa de energía.
Diseños cilíndrico-parabólicos
Las plantas de energía cilíndrico-parabólicos usan un espejo cilíndrico curvado
para reflejar la radiación solar directa sobre un tubo de vidrio que contiene un
fluido (también llamado receptor, absorbedor o colector) ubicado a lo largo del
cilindro, posicionado en el punto focal de los reflectores. El cilindro es
parabólico a lo largo de un eje y lineal en el eje ortogonal. El cambio durante el
día de la posición del sol perpendicular al receptor, es seguido inclinando el
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
30
cilindro de este a oeste de tal forma que la radiación directa permanece enfocada
en el receptor. Sin embargo, los cambios estacionales en el ángulo de incidencia
de la luz solar paralelo al cilindro no requieren ajustar los espejos, dado que
simplemente la radiación solar es concentrada en otra parte del receptor, de esta
forma el diseño no requiere hacer el seguimiento en un segundo eje.
El receptor puede estar encerrado en una cámara al vacío de vidrio. El vacío
reduce significativamente la pérdida de calor por convección.
Un fluido, también llamado fluido de transferencia de calor, pasa a través del
receptor y se calienta muy fuertemente. Los fluidos más comunes son aceite
sintético, sal fundida y vapor presurizado. El fluido que contiene el calor es
transportado a un motor térmico donde aproximadamente un tercio del calor es
transformado en electricidad.
Andasol 1 en Guadix, España usa el diseño cilíndrico-parabólico, el cual
consiste de largas filas paralelas de colectores solares modulares. Estos siguen al
Sol desde el este al oeste rotando sobre su eje, los paneles reflectores de alta
precisión concentran la radiación solar sobre una tubería absorbente localizada a
lo largo del eje focal de la línea de colectores. Un medio de transferencia de
calor, un aceite sintético, como en los motores de los automóviles, es hecho
circular a través de las tuberías de absorción a una temperatura de hasta 400 °C
y genera vapor bajo presión para propulsar un generador de turbina de vapor en
un bloque de energía convencional.
Los sistemas cilíndrico-parabólicos a escala total consisten de muchos de tales
cilindros dispuestos en paralelo sobre una gran área de terreno. Desde el año
1985 el SEGS (en inglés: Solar Energy Generating Systems, SEGS), un sistema
Esquema de un diseño cilíndrico-
parabólico. Un cambio de posición del sol
que sea paralelo al receptor no requiere
un ajuste de los espejos.
Leyenda:
Absorber tube: Tubo receptor
Reflecter: Reflector
Solar Field piping: Tuberías del campo
solar.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
31
termal solar que usa este diseño, ha estado funcionando a plena capacidad en
California, Estados Unidos.
El Sistema Solar de Generación de Energía (en inglés: Solar Energy Generating
System, SEGS) es un conjunto de nueve plantas con una capacidad total de 350
MW. Actualmente es el sistema solar operacional más grande (tanto del tipo
termal o no).
La planta Nevada Solar One tiene una capacidad de 64 MW.
Están en construcción las plantas Andasol 1 y 2 en España, cada planta tiene una
capacidad de 50 MW
Se había propuesto instalar 553 MW adicionales en el Mojave Solar Park,
California pero este proyecto fue cancelado en el año 2011.
También se ha propuesto una planta híbrida con almacenamiento de calor de 59
MW cerca de Barstow, California.
Cerca de Kuraymat en Egipto, se generan aproximadamente 40 MW de vapor
como aporte para una planta de gas.
El gobierno de India ha comenzado a desarrollar una iniciativa llamada
Jawaharlal Nehru National Solar Mission (también conocida como la Misión
Solar Nacional) para resolver el problema de abastecimiento de energía de India.
Diseños con torres
Las torres de energía (también conocidas como central solar de 'torre central' o
centrales de 'helióstatos') captura y enfocan la energía termal del sol con miles
de espejos que siguen al sol (llamados heliostatos) ubicados en un terreno
adyacente a la torre. Una torre está ubicada en el centro del terreno ocupado por
los helióstatos. Los helióstatos concentran la luz del sol en un receptor que está
ubicado en la parte superior de la torre. En el receptor la radiación solar
concentrada calienta una sal fundida a sobre 538 °C. Posteriormente la sal
fundida se envía a un tanque de almacenamiento termal donde se acumula, con
una eficiencia termal del 98%, finalmente es bombeada hacia un generador de
vapor. El vapor impulsa una turbina la que genera electricidad. Este proceso,
que también es conocido como Ciclo de Rankine, es similar al que usa una
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
32
planta que usa combustibles fósiles (carbón, gas natural, petróleo, etc.), excepto
que la fuente de energía en este caso es la radiación solar limpia.
Ventaja de este diseño en comparación al diseño cilíndrico-parabólico
Logra alcanzar temperaturas más altas.
La energía termal a temperaturas más altas puede ser convertida en electricidad
con mayor eficiencia y es más barato el almacenamiento para ser usada
posteriormente.
El terreno adyacente no necesita ser tan plano. En principio una torre de energía
podría ser construida en la ladera de una colina.
Los espejos pueden ser planos y las tuberías están concentradas en la torre.
Desventaja
Es que cada espejo debe tener su propio control en dos ejes, mientras que en el
diseño cilíndrico-parabólico el control de seguimiento de un eje puede ser
compartido por un conjunto más grande de espejos.
La NREL realizó una comparación de la relación costo/desempeño entre los
diseños de torre de energía y los cilíndricos-parabólicos, está estimó que para el
año 2020 se podría producir electricidad por un costo de 5,47 centavos de dólar
por kWh para los diseños de torre de energía y de un costo de 6,21 centavos de
dólar por kWh para los diseños cilíndricos-parabólicos. El factor de planta para
los torres de energía fue estimado en un 72,9% y para los diseños cilíndricos-
parabólicos fue de 56,2%.Se espera que el desarrollo de componentes para
helióstatos de centrales baratos, durables y fabricados en masa harían bajar estos
costos.
Solar Dos. Espejos planos enfocan la
radiación solar en la parte superior de
la torre. Las superficies blancas en la
parte inferior del receptor son usadas
para calibrar las posiciones de los
espejos.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
33
Diseños de disco
Un sistema de disco Stirling usa un gran disco reflector parabólico (similar a la
forma que tiene un disco de televisión satelital). Este enfoca toda la radiación
solar que llega al disco sobre un solo punto en la parte superior del disco, donde
un receptor captura el calor y lo transforma en algo que se pueda usar.
Normalmente el disco está acoplado a un motor Stirling, lo que se conoce como
un Sistema Disco-Stirling, pero algunas veces se utiliza un motor de vapor.
Estos motores crean energía cinética rotacional que puede ser convertida en
electricidad usando un generador eléctrico.
La ventaja de un sistema de disco es que puede alcanzar temperaturas muchas
más altas debido a una concentración mayor de luz (de manera similar que en
los diseños de torre). Las temperaturas más altas permiten una mejor conversión
a electricidad y los sistemas de disco son muy eficientes en este aspecto. Sin
embargo, también hay algunas desventajas. La conversión de calor a electricidad
requiere partes que se mueven y eso resulta en mayores requerimientos de
mantenimiento. En general, una aproximación centralizada de este proceso de
conversión es mejor que uno descentralizado en el diseño de disco. Segundo, el
motor, que es pesado, es parte de la estructura que se mueve, lo que requiere una
estructura rígida y un sistema de seguimiento resistente. Adicionalmente, se
usan espejos parabólicos en vez de espejos planos lo que significa que el
seguimiento debe ser realizado en dos ejes.
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.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
34
2.3.4. ACUMULACIÓN E INTERCAMBIO DE CALOR.
Existe más energía en las frecuencias más altas de la luz basada en la fórmula:
Donde
h: es la constante de Planck
v: es la frecuencia.
Los colectores metálicos disminuyen las frecuencias más altas de la luz
produciendo una serie de cambios Compton en abundancia de frecuencias más
bajas de la luz. Los revestimientos de vidrio y cerámica con alta transmisividad
en el espectro visible y ultravioleta y con una trampa metálica con absorción
efectiva en el espectro infrarrojo (bloqueo de calor) absorben la luz de baja
frecuencia producida por la pérdida a través de radiación.
El calor en un sistema solar termal es controlado por cinco principios básicos:
ganancia de calor, transferencia de calor, almacenamiento de calor, transporte de
calor y aislación termal.
En esta situación, el calor es la medida de la cantidad de energía termal que
contiene un objeto y está determinada por la temperatura, masa y calor
específico del objeto. Las centrales solares termales usan intercambiadores de
calor que están diseñados para condiciones de trabajo constantes para
proporcionar el intercambio de calor.
La ganancia de calor es el calor acumulado por el sol en el sistema. El
calor solar termal es atrapado usando el efecto invernadero, este efecto
en este caso es la habilidad de una superficie reflectante para transmitir
la radiación de onda corta y reflejar la radiación de onda larga. El calor y
la radiación infrarroja son producidas cuando la radiación de onda corta
golpea la placa de absorción, que luego es atrapado al interior del
colector. Un fluido, usualmente agua, en el absorbedor pasa por tubos y
recoge el calor atrapado y lo transfiere a un depósito de almacenamiento
de calor.
El calor es transferido ya sea por conducción o convección. Cuando el
agua es calentada, la energía cinética es transferida por conducción a las
moléculas de agua a través del medio. Estas moléculas dispersan si
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
35
energía termal por conducción y ocupan más espacio que las moléculas
frías que se mueven más lento sobre ellas. La distribución de la energía
desde el agua caliente que se eleva hacia el agua fría que se hunde
contribuyen al proceso de convección. El calor es transferido en el fluido
desde las placas de absorción del colector por conducción. El fluido del
colector es hecho circular a través de las tuberías transportadoras hasta el
lugar del almacenamiento del calor. Al interior del almacenamiento, el
calor es transferido a través del medio por convección.
El almacenamiento del calor permite que las centrales solares termales
puedan producir electricidad durante las horas del día sin luz solar. El
calor es transferido a un medio de almacenamiento de calor en un
depósito aislado durante las horas con luz solar y es recuperado para la
generación de electricidad durante las horas cuando no hay luz solar. La
tasa de transferencia de calor está relacionada a la conductividad y
convección del medio así como a las diferencias de temperatura. Los
cuerpos con grandes diferencias de temperatura transfieren el calor más
rápido que los cuerpos con diferencias de temperatura más baja.
El transporte del calor se refiere a la actividad en que el calor de un
colector solar es transportado hacia el depósito de almacenamiento de
calor.
La aislación térmica es vital tanto en las tuberías de transporte de calor
como en el depósito de almacenamiento de calor. Previene la pérdida de
calor, que está relacionada a la pérdida de energía que a su vez afecta
negativamente la eficiencia del sistema.
2.3.5. COSTE NORMALIZADO.
Dado que una central solar no usa ningún tipo de combustible, el costo consiste
principalmente de los costos de capital con costos menores operacionales y de
mantenimiento. Si se conoce la vida útil de la central y la tasa de interés, se
puede calcular el costo por kWh. Esto se llama coste normalizado de la energía.
El primer paso en el cálculo es determinar la inversión en la producción de 1
kWh en un año.
Por ejemplo, los datos para el proyecto de Andasol 1 indican que se invirtieron
en total 310 millones de euros para producir 179 GWh en un año. Dado que 179
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
36
GWh son 179 millones de kWh, la inversión por kWh para un año de
producción es de 310 / 179 = 1,73 euros.
Otro ejemplo es el de la central solar de Cloncurry en Australia. Se tenía
planificado que produjera 30 millones de kWh en un año con una inversión de
31 millones de dólares australianos. Si se logra en realidad, el costo sería de
1,03 dólares australianos para producir 1 kWh por año.
Esto habría sido significativamente más barato que Andasol, lo que se podría
explicar en parte por la radiación más alta recibida en Cloncurry en relación a
España. La inversión por kWh por año no debería ser confundida con el costo
por kWh durante todo el ciclo de vida de una central solar.
En la mayor parte de los casos la capacidad es indicada para una central en
particular, por ejemplo:
Para Andasol 1 se indica una capacidad de 50 MW. Esta cifra no adecuada para
realizar comparaciones, debido a que el factor de capacidad puede ser diferente.
Si una central solar posee almacenamiento de calor, también puede producir
electricidad después del ocaso, pero eso no cambiará el factor de capacidad;
simplemente desplaza la generación. El factor de capacidad promedio para una
central solar, que es una función del seguimiento, efecto del sombreado y de la
localización, es de aproximadamente un 20%, lo que significa que una central
solar con un capacidad de 50 MW normalmente proporcionará una generación
de electricidad anual de 50 MW x 24 horas x 365 días x 20% = 87.600
MWh/año o 87,6 GWh/año.
Aunque la inversión para un kWh por año de producción es adecuada para
comparar el precio de diferentes centrales solares, con esto aún no se obtiene el
precio por kWh. La forma de financiamiento tiene una gran influencia en el
precio final. Si la tecnología es probada, debería ser posible una tasa de interés
del 7%. Sin embargo, los inversores en nuevas tecnologías buscan una tasa
mucho más alta para compensar por los riesgos más altos. Esto tiene un
significativo efecto negativo en el precio por kWh. Independiente de la forma de
financiamiento, siempre existe una relación lineal entre la inversión por kWh
producido en un año y el precio de 1 kWh, antes de agregar los costos
operacionales y de mantenimiento. En otras palabras, si por mejoras de la
tecnología la inversión cae en un 20%, el precio por kWh también cae en un
20%.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
37
2.4. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.
Se basa en la captación de energía solar y su transformación en energía eléctrica por
medio de celdas fotovoltaicas.
Los materiales semiconductores, para su utilización en celdas fotovoltaicas, han de
ser producidos en purezas muy altas, normalmente con estructura cristalina.
La conversión de la energía solar a eléctrica se realiza de manera limpia, directa y
elegante.
Existen dos elementos que sustentan la utilización de la energía fotovoltaica: "La
necesidad de proteger el medio ambiente y la necesidad de crecer
económicamente".
2.4.1. FUNCIONAMIENTO.
La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, es decir, en la
conversión de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica.
Consiste en la captación de la energía radiante procedente del sol, equivalente a
3,8 E20 MW.
Es emitida por su superficie a la temperatura de 13 millones de grados
(producida por las fusiones de átomos de Hidrógeno para formar Helio).
Se transmite por el espacio en forma de fotones de luz. Estos fotones atraviesan
la atmósfera terrestre perdiendo parte de su energía por los impactos con la
misma. Esta pérdida de energía será función de la distancia que recorre (latitud y
altitud del sol) y del tipo de atmósfera que atraviesen (clara o nublada) hasta
alcanzar la superficie de la Tierra.
Cuando fotones de un determinado rango de energía chocan con átomos de
ciertos materiales semiconductores (el Silicio es el más representativo) les ceden
su energía produciendo un desplazamiento de electrones que es en definitiva una
corriente eléctrica.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
38
Estos fotones se caracterizan por su energía y su longitud de onda (que forman
lo que se llama espectro solar). Solo una parte de este espectro (que depende del
material semiconductor) es aprovechada para el desplazamiento de los
electrones.
Los materiales semiconductores, para su utilización en celdas fotovoltaicas, han
de ser producidos en purezas muy altas, normalmente con estructura cristalina.
Estos cristales se cortan en rebanadas muy finas (del orden de micras) y se
dopan unas con elementos químicos para producir huecos atómicos, lado "p",
(en el caso del Si con Boro) y otras con otros elementos para producir electrones
móviles, lado "n", (con Fósforo también en el caso del Si).
La unión de una rebanada "n" con una rebanada "p" (ambas son transparentes y
por tanto dejan pasar los fotones) cada una con un conductor eléctrico metálico,
forman así una célula fotoeléctrica, la cual bajo la incidencia de fotones, crea
una corriente de electrones corriente eléctrica continua- a través del circuito
eléctrico al que estén conectados los dos conductores de la celda.
2.4.2. COMPONENTES DE INSTALACION.
2.4.2.1. CELDAS O CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
Son dispositivos formados por metales sensibles a la luz que desprenden
electrones cuando los fotones inciden sobre ellos. Convierten energía luminosa
en energía eléctrica.
Las células solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades
específicas, denominados semiconductores.
Para entender el funcionamiento de una célula solar, debemos de entender las
propiedades de estos semiconductores.
Propiedades de los semiconductores:
Los electrones que se encuentran orbitando al rededor del núcleo atómico no
pueden tener cualquier energía, solamente unos valores determinados, que son
denominados, niveles energéticos, a los que se pone nombre: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
39
Las propiedades químicas de los elementos están determinadas por el número de
electrones en su última capa y por electrones que faltan para completarla. En el
silicio, material que se usa para la construcción de una célula solar, en su última
capa, posee cuatro electrones y faltan otros cuatro para completarla.
Cuando los átomos de silicio se unen a otros, comparten los electrones de las
últimas capas con la de los átomos vecinos, formando lo que se denomina enlace
covalente. Estas agrupaciones dan lugar a un sólido de estructura cristalina.
De la forma, que los electrones de un átomo no pueden tener cualquier energía,
los electrones de un cristal tampoco pueden tomar cualquier energía.
Teniendo en cuenta que en el átomo sus propiedades se determinan en la última
capa, ahora son agrupaciones de capas, llamadas bandas de energía, y que
definen las propiedades electrónicas de un cristal.
Las dos últimas capas ocupadas por electrones reciben el nombre de banda de
conducción y banda de valencia. Estas están separadas por una energía
denominada gap.
Para poder entender esto describiremos los tipos de materiales existentes,
eléctricamente hablando:
Conductores, disponen de unos electrones de valencia poco ligados al
núcleo y que pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina
respondiendo a un estímulo externo.
Semiconductores, sus electrones de valencia están más ligados a sus
núcleos que los conductores, pero basta suministrar una pequeña
cantidad de energía para que se comporten igual que estos.
Aislantes, los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo
y la energía a suministrar para poder desprenderse del átomo sería
excesivamente grande.
Llegando a este punto, podemos decir que a cierta temperatura, algunos
electrones tendrán energía suficiente para desligarse de los átomos, a estos
electrones libres se les denomina "electrones" y se les asocia con los niveles
energéticos de la banda de conducción.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
40
A los enlaces que han dejado vacíos se les denomina "huecos"; para entender
mejor este racionamiento diremos que los "huecos" se comportan de la misma
forma que partículas con carga positiva.
Si pusiéramos un cristal de estas características, lo único que conseguiríamos
sería calentar el cristal, ya que los electrones se moverían dentro del propio
cristal, se generarían pares electrón-hueco, que constan de un electrón que se
mueve y deja un hueco, a ese hueco irá otro electrón próximo, generando otro
hueco y así sucesivamente.
Para generar una corriente eléctrica hace falta un campo magnético, que se
consigue con la unión de dos cristales semiconductores, uno de tipo "p" y otro
de tipo "n".
Estos semiconductores se obtienen con un cristal semiconductor muy puro,
introduciéndoles impurezas.
Una de las regiones se dopa con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia,
uno más que el silicio, de forma que esta región dopada muestra una afinidad
por los electrones mayor que el silicio puro. A esta región se le denomina de
tipo n.
La otra región de dopa con boro, que tiene tres electrones de valencia, uno
menos que el silicio, de forma que esta región muestra una afinidad por los
electrones inferior que el silicio puro. A esta región se le denomina de tipo p.
De esta forma, teniendo un cristal semiconductor de silicio formado por una
región de tipo p y otra región de tipo n, se consigue una diferencia de potencial
que hace que los electrones tengan menos energía en la zona n que en la zona p.
Por esta razón los electrones son enviados a la zona n y los huecos a la zona p.
Cuando inciden fotones sobre este tipo de semiconductor, unión p-n, es cuando
entonces se rompen algunos enlaces, generándose de esta forma pares electrón-
hueco.
Las células solares, para poder suministrar energía al exterior, van provistas de
unos dedos o mallas de metalización frontal, que consisten en partes metálicas
por la que circula al exterior la corriente eléctrica generada.
Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se
denomina longitud de difusión, estos pares serán separados por el fuerte campo
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
41
eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el
hueco hacia la zona p. De esta forma se da una corriente de la zona n a la zona
p.
Si estos electrones consiguen ser recolectados por la malla de metalización,
obtendremos energía eléctrica
Si la longitud de difusión es muy corta, el par electrón-hueco, se recombinará, lo
cual dará origen a calor. Por supuesto esto siempre que la célula esté iluminada.
De todas formas no todos los fotones incidentes generan electricidad, hay
factores que hacen que existan pérdidas en esta generación.
Energía de fotones incidentes, hay veces que los fotones incidentes no
disponen de la energía necesaria para romper un enlace covalente y crear
un par electrón-hueco, y otras, el fotón tiene demasiada energía, lo cual
se disipa en forma de calor.
Recombinación, es el hecho de que los electrones liberados ocupen un
hueco próximo a ellos.
Reflexión, parte de la radiación incidente en la célula es reflejada.
Malla de metalización, estos contactos eléctricos en el exterior de la
célula, disminuye la superficie de captación.
Resistencia serie, es el efecto Joule producido por el paso de electrones a
través del silicio, la malla de metalización y resistencia de los contactos
de conexión eléctricas al circuito exterior.
Resistencia paralelo, tiene origen en las imperfecciones de la unión p-n,
creando fugas de corriente.
Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de
silicio, y se puede dividir en tres subcategorías:
Las células de silicio monocristalino: están constituidas por un único
cristal de silicio, normalmente manufacturado mediante el proceso
Czochralski. Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
42
Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino):
están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica
que su rendimiento sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se
caracterizan por un color azul más intenso.
Las células de silicio amorfo: Son menos eficientes que las células de
silicio cristalino pero también menos costoso. Este tipo de células es, por
ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o
calculadoras.
El parámetro estandarizado para clasificar la potencia de un panel fotovoltaico
se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el
módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:
a) Radiación de 1000 W/m².
b) Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica de silicio policristalino
oscilan entre el 14 %-20 %.
Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15 %-21 %.
Los más altos se consiguen con los colectores solares térmicos a baja
temperatura (que puede alcanzar un 70 % de rendimiento en la transferencia de
energía solar a térmica).
Están formados por células elaboradas a base de silicio puro con adición de
impurezas de ciertos elementos químicos, siendo capaces de generar cada una de
2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V, utilizando como materia prima la
radiación solar.
Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza
(material muy abundante en la arena). El lingote es rebanado en forma de
placas delgadas llamadas obleas. El espesor típico usado es del orden de 300
nm (0.3 mm). Una fracción muy pequeña de tal espesor (del orden de 0.5 nm)
es impregnado con átomos de fósforo. A esta capa se le conoce como tipo-n.
El resto de la oblea es impregnado con átomos de boro y se forma la capa
conocida como tipo-p. Estas capas forman un campo eléctrico (voltaje interno
construido) dentro de la oblea y cerca de la superficie que recibe la luz del sol.
Dicho voltaje es el responsable de separar a las cargas foto generadas positivas
(huecos) y negativas (electrones).
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
43
La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para
extraer la corriente eléctrica producida. La cara de la oblea expuesta a la luz,
posee un enrejado metálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual colecta los
electrones fotogenerados. Esta capa corresponde a la terminal negativa. Sobre
este enrejado está conectado uno de los conductores del circuito exterior. La
otra cara cuenta con una capa metálica, usualmente de aluminio. Esta
corresponde a la terminal positiva ya que en ella se acumulan las cargas
positivas. Sobre esta capa está conectado el otro conductor del circuito exterior.
También la celda está cubierta con una película delgada anti reflejante para
disminuir las pérdidas por reflexión.
2.4.2.2. PANEL SOLAR
Están formados por varias celdas fotovoltaicas
Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir
un voltaje adecuado a las aplicaciones eléctricas; los paneles captan la energía
solar transformándola directamente en eléctrica en forma de corriente continua,
que se almacena en acumuladores, para que pueda ser utilizada fuera de las
horas de luz.
Los módulos fotovoltaicos admiten tanto radiación directa como difusa,
pudiendo generar energía eléctrica incluso en días nublados.
En general las células tienen potencias nominales próximas a 1Wp, lo que
quiere decir que con una radiación de 1000W/m2 proporcionan valores de
tensión de unos 0,5 V y una corriente de unos dos amperios.
Para obtener potencias utilizables para aparatos de mediana potencia, hay que
unir un cierto número de células con la finalidad de obtener la tensión y la
corriente requeridas.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
44
Para tener más tensión hay que conectar varias células en serie. Conectando 36
(dimensiones normales, 7.6 cm de diámetro) se obtienen 18 V, tensión
suficiente para hacer funcionar equipos a 12V, incluso con iluminaciones mucho
menores de 1kW/m2.
La unidad básica de las instalaciones fotovoltaicas es, pues, la placa
fotovoltaica, que contiene entre 20 y 40 células solares; estas placas se conectan
entre sí en serie y/o paralelo para obtener el voltaje deseado (12V, 14V, etc.).
Estas células interconectadas y montadas entre dos láminas de vidrio que las
protegen de la intemperie constituyen lo que se denomina un módulo
fotovoltaico.
El panel solar tiene características eléctricas vienen determinadas por el número
y forma de conexión de las células.
Conexión serie, conexionadas de forma que el lado p sea conectado con el lado
n de otra célula, así sucesivamente, quedando cada extremo con un lado n y otro
p.
Las tensiones generadas de cada célula se suman, la corriente es el valor de una
célula.
Conexión paralelo, conexionados todos los lados de tipo p, por un lado, y los de
tipo n por otro.
La tensión generada es la de una célula y la corriente es la suma de todas.
Conexión mixta, es la conexión en serie y en paralelo de las células.
Donde la tensión generada es la suma de las tensiones de células en serie y la
corriente es la suma de todas las células en paralelo.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
45
I total = I x número de células en paralelo
V total = V x número de células en serie
Existen varios tipos de paneles fotovoltaicos, que se diferencian bien por su
tecnología de fabricación de células o por su aplicación.
Silicio monocristalino.
Silicio policristalino.
Silicio amorfo.
Policristalinos de lámina delgada.
Paneles para el espacio.
Sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre.
Teluro de cadmio.
Seleniuro de cobre e indio.
Arseniuro de galio o de concentración.
Bifaciales
Elementos.
GENERADOR SOLAR: conjunto de paneles fotovoltaicos que captan
energía luminosa y la transforman en corriente continua a baja tensión.
ACUMULADOR: Almacena la energía producida por el generador. Una
vez almacenada existen dos opciones:
a) Sacar una línea de éste para la instalación (utilizar lámpara y
elementos de consumo eléctrico).
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
46
b) Transformar a través de un inversor la corriente continua en
corriente alterna.
REGULADOR DE CARGA: Su función es evitar sobrecargas o
descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser
irreversibles. Debe asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto
de máxima eficacia.
Al conjunto formado por células conectadas en serie y en paralelo,
convenientemente ensamblado y protegido contra los agentes externos, se le
denomina panel o módulo fotovoltaico. La forma más usual no es construir un
generador solar de un sólo panel, sino dividirlo en varios paneles de igual
voltaje y potencia. Para varias aplicaciones se pueden diseñar módulos estándar,
cumpliendo condiciones específicas.
Corrientemente sólo se usan ciertos voltajes estándar, como 1,5 V, 6 V, 12 V, 24
V y 48 V, que son múltiplos unos de otros. Cualquier pedido específico de
potencia se puede satisfacer conectando el número adecuado de módulos en
serie y en paralelo. La asociación en serie de paneles permite alcanzar la tensión
pedida mientras que la asociación en paralelo permite obtener la potencia
deseada. Los paneles que se interconexiones deberán tener la misma curva i-v a
fin de evitar descompensaciones.
Las células solares son elementos frágiles y se deben proteger por ambos lados.
Esto se consigue colocándolas entre una capa de protección superior y otra
inferior. El coeficiente de expansión térmica de los materiales protectores, tanto
el superior como el inferior, debe ser similar y compatible además con el de las
células. En la actualidad los plásticos y el vidrio son los materiales más
empleados. El vidrio tiene la ventaja de mantener intactas sus propiedades
ópticas y eléctricas durante largos periodos. Los polímeros no impiden la
penetración de la humedad en las uniones y la metalización, por lo que son
apropiados si el silicio subyacente y los otros materiales son resistentes a la
corrosión. Los plásticos son más ligeros que el vidrio, pero se deben escoger
cuidadosamente puesto que algunos tipos pueden perder su transparencia a la
luz y su solidez después de una larga exposición a la luz solar y a la atmósfera.
Los paneles adoptan casi siempre una forma cuadrada o rectangular, con áreas
que van desde unos 0,1 m² hasta 0,5 m². El grueso total, sin incluir el marco
protector, no suele superar los 3 cm. Son relativamente ligeros y, aunque rígidos
en apariencia, son capaces de sufrir ligeras deformaciones para adaptarse a los
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
47
esfuerzos mecánicos a que pudiesen verse sometidos. Los contactos eléctricos
exteriores deben asegurar una perfecta estanqueidad cuando se efectúe la unión
con el conductor exterior o con los paneles. Algunos paneles llevan preparada
una toma de tierra, que será precisa usar cuando, por acoplarse un cierto número
de paneles, la potencia total vaya a ser considerable.
La respuesta del panel frente a la radiación solar viene determinada por las
células que lo forman, por lo que se caracterizará por los mismos parámetros
que describen a una célula:
o Corriente de cortocircuito.
o Tensión de circuito abierto.
o Potencia máxima.
o Factor de forma.
o Eficiencia total del panel.
La curva característica del panel o curva de intensidad-voltaje presenta la misma
forma que en el caso de las células y varía poco de unos paneles a otros. El
estándar internacionalmente aceptado para medir respuestas de los paneles
fotovoltaicos es una intensidad radiante de 1000 W/m², que se conoce como una
intensidad de un Sol y una temperatura de la célula de 25 grados Celsius. Así, la
potencia nominal pico de un panel es la proporcionada por el mismo al recibir
una irradiación de 1000 W/m² cuando la temperatura es de 25 grados Celsius.
No obstante, las condiciones de trabajo respecto a las de referencia vendrán
dadas por las variaciones de las células componentes.
Inclinación y orientación de los paneles fotovoltaicos.
Frente a la opción de emplear un sistema de seguimiento, una solución estática
puede resultar suficiente para determinadas aplicaciones. Naturalmente, en este
caso la energía colectada no es la máxima posible pero puede resultar aceptable
si se da al colector una determinada orientación, la cual se puede variar con
ajustes estacionales para conseguir algunas mejoras.
Inclinación.
La radiación solar que incide sobre una placa variará con el ángulo que
forme la misma con la radiación. La captación de energía solar será
máxima cuando la posición de la placa solar sea perpendicular a la
radiación.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
48
La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal es
variable a lo largo del año (máxima en verano y mínima en invierno) y
por tanto, en aquellas instalaciones cuyos paneles estén fijos, existirá un
ángulo de inclinación que optimizará la colección de energía sobre una
base anual. Es decir, conviene buscar el ángulo de inclinación de los
paneles respecto al plano horizontal que hace máxima la potencia media
anual recibida. En la mayoría de los casos este ángulo coincide con la
latitud del lugar de la instalación. Normalmente se suele tomar un ángulo
mayor, aproximadamente 15º, en beneficio de una mayor captación
durante el invierno, cuando la luminosidad disminuye, a costa de una
peor captación en verano, cuando hay una mayor cantidad de luz.
Puede ocurrir que la instalación no vaya a usarse todo el año sino sólo en
ciertas épocas. Así, si la instalación se va a usar preferentemente en
verano conviene que la inclinación del colector sea menor que la latitud
del lugar, aproximadamente en 15º.
Evidentemente, las pérdidas de las superficies horizontales con respecto
a las que están inclinadas aumentan progresivamente a medida que nos
acercamos al norte (en el hemisferio norte) o al sur (en el hemisferio
sur). En los polos, los planos horizontales son inútiles. No obstante, es
extremadamente difícil valorar las pérdidas en los climas templados ya
que la proporción de luz difusa del sol es más grande debido a la
presencia de polvo, vapor de agua y nubes. La orientación no ofrece
ninguna ventaja en cuanto a la energía recibida desde la radiación
indirecta. Por el contrario, debido a que los paneles inclinados reciben la
luz de una parte del hemisferio, estos recogen menos luz difusa que los
receptores horizontales.
Orientación.
La orientación preferida de los colectores es hacia el Sur, debido a que la
trayectoria del Sol en movimiento Este a Oeste es simétrica respecto de
la posición que ocupa al mediodía y a que es precisamente en este
momento cuando la captación de energía solar es máxima.
Las desviaciones hacia el Oeste o hacia el Este en un ángulo inferior a
30º hacen disminuir la radiación diaria recibida en un pequeño valor que
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
49
se cifra en menos del 5%. Por el contrario, para ángulos superiores a este
valor, las pérdidas en la irradiación captada son considerables.
En resumen, la orientación óptima de un colector es la que mira
directamente hacia el Sur, pero si esto no es posible puede determinarse
una variación aproximada de 15º.
2.4.2.3. INVERSORES
La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos fotovoltaicos se
puede transformar en corriente alterna mediante un aparato electrónico llamado
inversor109 e inyectar en la red eléctrica (para venta de energía) o bien en la red
interior (para autoconsumo).
El proceso, simplificado, sería el siguiente:
Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente
continua.
Se transforma con un inversor en corriente alterna.
En plantas de potencia inferior a 100 kW se inyecta la energía
directamente a la red de distribución en baja tensión (400 V en trifásico
o 230 V en monofásico).
Y para potencias superiores a los 100 kW se utiliza un transformador
para elevar la energía a media tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las
redes de transporte para su posterior suministro.
2.4.2.4. SEGUIDORES SOLARES
El uso de seguidores a uno o dos ejes permite aumentar considerablemente la
producción solar, en torno al 30% para los primeros y un 6% adicional para los
segundos, en lugares de elevada radiación directa.113 114
Los seguidores solares son bastante comunes en aplicaciones fotovoltaicas.115
Existen de varios tipos:
En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al Sol.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
50
En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e
inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal
a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que
contiene al Sol.
En un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de
la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la
normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local
que contiene al Sol.
En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado
en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie
coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.
2.4.2.5. CABLEADO.
Es el elemento que transporta la energía eléctrica desde su generación, para su
posterior distribución y transporte. Su dimensionamiento viene determinado por
el criterio más restrictivo entre la máxima caída de tensión admisible y la
intensidad máxima admisible. Aumentar las secciones de conductor que se
obtienen como resultado de los cálculos teóricos aporta ventajas añadidas como:
Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables.
Posibilidad de aumento de potencia de la planta sin cambiar el
conductor.
Mejor respuesta a posibles cortocircuitos.
Mejora del performance ratio (PR) de la instalación.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
51
2.4.3. TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.
Sistemas autónomos o Remotos.
Los sistemas autónomos son el mercado que estimuló la producción industrial
de módulos Fotovoltaicos y dio credibilidad a la energía, al demostrar que pese
a su costo, son la opción más económica en algunas aplicaciones terrestres.
La energía generada a partir de la conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir
pequeños consumos eléctricos en el mismo lugar donde se produce la demanda.
Es el caso de aplicaciones como la electrificación de:
viviendas alejadas de la red eléctrica convencional, básicamente
electrificación rural; servicios y alumbrado público: iluminación pública
mediante farolas autónomas de parques, calles, monumentos, paradas de
autobuses, refugios de montaña, alumbrado de vallas publicitarias, etc.
Aplicaciones agrícolas y de ganado: bombeo de agua, sistemas de riego,
iluminación de invernaderos y granjas, suministro a sistemas de ordeño,
refrigeración, depuración de aguas, etc.
Señalización y comunicaciones: navegación aérea (señales de altura,
señalización de pistas) y marítima (faros, boyas), señalización de
carreteras, vías de ferrocarril, repetidores y reemisores de radio y
televisión y telefonía, cabinas telefónicas aisladas con recepción a través
de satélite o de repetidores, sistemas remotos de control y medida,
estaciones de tomas de datos, equipos sismológicos, estaciones
meteorológicas, dispositivos de señalización y alarma, etc. El
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
52
balizamiento es una de las aplicaciones más extendida, lo que demuestra
la alta fiabilidad de estos equipos.
Por su parte, en las instalaciones repetidoras, su ubicación generalmente
en zonas de difícil acceso obligaban a frecuentes visitas para hacer el
cambio de acumuladores y la vida media de éstos se veía limitada al
trabajar con ciclos de descarga muy acentuados.
Aplicaciones de sistemas fotovoltaicos autónomos en Electrificación
Rural
Sistemas conectados a la red.
En cuanto a las instalaciones conectadas a la red e pueden encontrar dos casos:
Centrales fotovoltaicas, (en las que la energía eléctrica generada se entrega
directamente a la red eléctrica, como en otra central convencional de generación
eléctrica).
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
53
Sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias, conectados a la red eléctrica, en
los que una parte de la energía generada se invierte en el mismo autoconsumo
del edificio, mientras que la energía excedente se entrega a la red eléctrica.
También es posible entregar toda la energía a la red; el usuario recibirá entonces
la energía eléctrica de la red, de la misma manera que cualquier otro abonado al
suministro.
Tipos de sistemas conectados a la red
Generadores dispersos.- Son generadores de baja capacidad (1-10KW)
instalados en inmuebles residenciales, comerciales o institucionales.
Estaciones Centrales.- Son plantas de gran capacidad (de hasta varios
MW) Operadas por la compañía suministradora. La interconexión con la
red siempre es trifásica debido al rango de potencia.
Estaciones de apoyo a la red.- Son similares a una estación central, su
objetivo es proporcionar alivio térmico a subestaciones y o líneas de
distribución que se encuentren cerca del límite de su capacidad.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
54
2.4.4. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.
Alemania es en la actualidad el segundo productor mundial de energía solar
fotovoltaica tras Japón, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de
colectores de sol, aunque sólo representa el 0,03% de su producción energética
total.
La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20%
en la década de los noventa.
En la UE el crecimiento medio anual es del 30%, y Alemania tiene el 80% de la
potencia instalada.
El crecimiento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado en
2006 por la falta de materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al
estar copadas las fuentes actuales. Diversos planes se han establecido para
nuevas factorías de este material en todo el mundo, incluyendo en mayo de 2006
la posibilidad de que se instale una en España con la colaboración de los
principales actores del mercado. La inyección en red de la Energía solar
fotovoltaica, está probada por el Gobierno Español con el 575 % del valor del
kilowatiohora normal. Lo que corresponde con unos 0,44 euros por cada kwh
que se inyecte en red.
Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de
permisos de la administración y la autorización de la compañía eléctrica
distribuidora de la zona. Esta tiene la obligación de dar punto de enganche o
conexión a la red eléctrica, pero en la práctica el papeleo y la reticencia de las
eléctricas están frenando el impulso de las energías renovables.
Las eléctricas buscan motivos técnicos como la saturación de la red para
controlar sus intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de
bloquear la iniciativa de los pequeños productores de energía solar fotovoltaica.
Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión
Europea para impulsar las energías limpias y la realidad de una escasa
liberalización en España del sector energético que impide el despegue y la libre
competitividad de las energías renovables.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
55
2.4.5. CENTRALES DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.
La mayor central de energía solar del mundo hasta el año 2004 se encontraba en
la ciudad de Espenhain, cerca de Leipzig. Con 33.500 paneles solares modulares
monocristalinos y una capacidad de producción de 5 megavatios, la central es
suficiente para abastecer a 1800 hogares. La inversión ascendió a 20 millones de
euros, según Shell Solar y Geosol, las firmas constructoras. Actualmente la
empresa alemana SAG Solarstrom, que opera en España con el nombre TAU
Solar, ha construido la mayor huerta solar del mundo en Erlasee (Alemania).
Esta sustituye a la central de Espenhain. La nueva central de Erlasee cuenta en
su totalidad con una capacidad de producción de 12 megavatios.
El mayor fabricante europeo de productos fotovoltaicos es la compañía alemana
RWE SCHOTT Solar con sede en Alzenau (Baviera). Esta compañía posee la
planta de producción fotovoltaica más moderna y completamente integrada del
mundo. En 2003 la compañía generó ventas netas de 123 millones de euros y
tiene más de 800 empleados.
Además Friburgo de Brisgovia es la sede de ISES (Sociedad Internacional de
Energía Solar).
2.4.6. INVERSIÓN EN ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.
Las eficiencias de las células solares varían entre el 6% de aquellas basadas en
silicio amorfo hasta el 46% de las células multiunión. Las eficiencias de
conversión de las células solares que se utilizan en los módulos fotovoltaicos
comerciales (de silicio monocristalino o policristalino) se encuentran en torno al
14-22%.
El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67
$/Wp en 1977 hasta aproximadamente 0,36 $/Wp en 2014. Esta tendencia sigue
la llamada "ley de Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de
Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20%
cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.
En 2014, el precio de los módulos solares se había reducido en un 80% desde el
verano de 2008, colocando a la energía solar por primera vez en una posición
ventajosa respecto al precio de la electricidad pagado por el consumidor en un
buen número de regiones soleadas. En este sentido, 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
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
56
que la electricidad es usualmente más cara durante el día. Se ha producido una
dura competencia en la cadena de producción, y asimismo se esperan mayores
caídas del coste de la energía fotovoltaica en los próximos años, lo que supone
una creciente amenaza al dominio de las fuentes de generación basadas en las
energías fósiles. Conforme pasa el tiempo, las tecnologías de generación
renovable son generalmente más baratas, mientras que las energías fósiles se
vuelven más caras:
Cuanto más desciende el coste de la energía solar fotovoltaica, más
favorablemente compite con las fuentes de energía convencionales, y más
atractiva es para los usuarios de electricidad en todo el mundo. La fotovoltaica a
pequeña escala puede utilizarse en California a precios de $100/MWh
($0,10/kWh) por debajo de la mayoría de otros tipos de generación, incluso
aquellos que funcionan mediante gas natural de bajo coste. Menores costes en
los módulos fotovoltaicos también suponen un estímulo en la demanda de
consumidores particulares, para los que el coste de la fotovoltaica se compara ya
favorablemente al de los precios finales de la energía eléctrica convencional.
En 2011, el coste de la fotovoltaica había caído bastante por debajo del de la
energía nuclear, y se espera que siga cayendo:
La tendencia es que los precios disminuyan aún más con el tiempo una vez que
los componentes fotovoltaicos han entrado en una clara y directa fase
industrial.293 294 A finales de 2012, el precio medio de los módulos
fotovoltaicos había caído a 0,50 $/Wp, y las previsiones apuntan que su precio
seguirá reduciéndose hasta los 0,36 $/Wp en 2017.
En 2015, el Instituto alemán Fraunhofer especializado en energía solar (ISE)
realizó un estudio que concluía que la mayoría de los escenarios previstos para
el desarrollo de la energía solar infravaloran la importancia de la fotovoltaica. El
estudio realizado por el instituto Fraunhofer estimaba que el coste levelizado
(LCOE) de la energía solar fotovoltaica para plantas de conexión a red se situará
a largo plazo entre 0,02 y 0,04 €/kWh, niveles inferiores a los de las fuentes de
energía convencionales.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
57
2.4.7. APLICACIONES.
Tradicionalmente este tipo de energía se utilizaba para el suministro de energía
eléctrica en lugares donde no era rentable la instalación de líneas eléctricas. Con
el tiempo su uso se ha ido diversificando hasta el punto que actualmente resultan
de gran interés las instalaciones solares en conexión con la red eléctrica.
La energía fotovoltaica tiene muchísimas aplicaciones, en sectores como las
telecomunicaciones, automoción, náuticos, parquímetros. También podemos
encontrar instalaciones fotovoltaicas en lugares como carreteras, ferrocarriles,
plataformas petrolíferas o incluso en puentes, gaseoductos y oleoductos. Tiene
tantas aplicaciones como pueda tener la electricidad. La única limitación
existente es el coste del equipo o el tamaño del campo de paneles.
Algunos usos:
Electrificación de viviendas rurales.
Suministro de agua a poblaciones.
Bombeo de agua / riegos.
Naves ganaderas.
Pastores eléctricos.
Telecomunicaciones: repetidores de señal, telefonía móvil y rural.
Tratamiento de aguas: desalinización, cloración.
Señalizaciones (marítima, ferroviaria, terrestre y aérea) y alumbrado
público.
Conexión a la red.
Protección catódica.
Sistemas de telecontrol vía satélite, detección de incendios
2.5. ENERGÍA EÓLICO SOLAR.
2.5.1. ENERGIA EOLICA.
La energía eólica es la energía obtenida a partir del viento, es decir, la energía
cinética generada por efecto de las corrientes de aire, y que es convertida en
otras formas útiles de energía para las actividades humanas
La energía eólica es un recurso abundante, renovable y limpio que ayuda a
disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
58
energía a base de combustibles fósiles. El impacto ambiental de este tipo de
energía es además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de
energía.
2.5.2. ENERGIA EÓLICO SOLAR O TORRE SOLAR.
La energía eólico solar es un tipo de energía renovable que se obtiene
transformando la energía del viento que circula a través de una chimenea en
energía eléctrica.
El principio de funcionamiento se basa en el movimiento que se produce en el
aire debido a la disminución de la densidad cuando es calentado. El mecanismo
más simple para conseguir este efecto se puede conseguir con una torre de un
color oscuro de tal forma que al incidir los rayos del sol en ella absorbe la
radiación en forma de energía térmica y calienta el aire contenido en ella. De
esta forma se produce un ascenso del aire por tener una menor densidad. En la
base se abren unas ranuras de tal forma que por la succión que produce la
chimenea se absorba aire que vuelve a iniciar su ascenso.
Si a este mecanismo se le añaden unas turbinas en las ranuras de entrada de aire
que se muevan con la fuerza del viento y estén conectadas a un generador, se
consigue obtener energía eléctrica. Este efecto se puede multiplicar si alrededor
de la base de la torre se ubica una zona colectora o también llamada zona de
invernadero que absorbe la radiación solar y calienta el aire antes de subir a
través de la torre.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
59
Hay otro modelo de torre solar que mezcla tres ideas: el modelo de la centrales
termoeléctricas de torre, la torre solar y las turbinas de gas. De esta mezcla surge
una central que en vez de superficie colectora alrededor de la base tiene
heliostatos que reflejan la radiación solar a una zona trasparente que tiene la
chimenea y donde se ubica la cavidad de una turbina. En el punto donde
coinciden los rayos de sol de los heliostatos se alcanzan altas temperaturas
(horno solar) y se encuentra el quemador de la turbina que expande el aire de
forma que la turbina lo pueda aprovechar para hacer girar una dinamo-
alternador. Por este efecto el aire asciende a través de las mismas ranuras que
tiene la torre solar tradicional lo único que se encuentran a 4 metros de altura y
no pasa por la zona de invernadero.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
60
2.6. ENERGÍA SOLAR HÍDRICA.
La energía solar híbrida es un sistema de producción de energía, mediante la
combinación de energía solar con otra energía según con la que se combine es
hibridación.
RENOVABLES: son aquellos que se producen en la naturaleza de forma
continua y son inagotables .Algunos de estos pueden ser solar, eólica,
hidráulica, biomasa, geotérmica y de hidrogeno.
NO RENOVABLES: son aquellos que se encuentran en la naturaleza de
forma limitada y después de consumirse no podrán sustituir tales como
energía nuclear y combustión de fósiles.
Cuando se trata de energía híbrida ecológica se combinan por ejemplo solar con
eólica, o solar fotovoltaica con solar térmica, o solar con biocombustibles, o eólica
con mareomotriz, gas natural producido por el sol, en fin, se conocen ya muchas
fuentes de energía no contaminantes es sólo buscar la forma de que se vuelvan
accesibles.
Justamente esto es lo que permite la combinación de dos o más energías limpias.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
61
2.6.1. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR HIBRIDA.
a) LA COMBINACIÓN DE ENERGIA SOLAR CON ENERGIA
EOLICA.
Algunos ejemplos de novedades de energía híbrida son la combinación
de energía solar con eólica para el suministro de energía a un edificio,
mediante equipos que funcionen por luz solar cuando la hay, y por
viento en caso contrario. De esta manera se asegura un mejor suministro
durante todo el año, en aquellas zonas del mundo donde el clima es
variable.
Una novedad en energía híbrida que puede comenzar a utilizarse en las
ciudades, y que proporcionaría un importante ahorro a los ayuntamientos
son las luces de calle autosuficientes. Están diseñadas como en el
ejemplo anterior, para funcionar con sol o con viento, y capacitadas para
almacenar energía que puede ser utilizada en otros sistemas.
También está comenzando a utilizarse un tipo de generador con agua y
metanol en su interior, que absorve la luz del sol. Cuando el agua y el
metanol se calientan, producen hidrógeno que es utilizado para producir
energía. Constantemente surgen nuevas alternativas, ya se sabe cuál es el
camino, sólo hay que tomarlo.
Aplicaciones: Carreteras, caminos hacia la costa
Ahorro de energía
Protege el medio ambiente
Altura: 5-12m
Lámpara de poste eólica /solar
Especificaciones:
Panel solar: 50W
Generador Eólico: 600W
Lámpara LED: 96W
Controlador: 600W de energía eólica-solar
Batería: 12v 2pcs 120AH batería de
almacenamiento de plomo con ácido
Horas de energía: 10Hr/por día en verano,
13hr/ día en invierno, 2 días sin luz y
viento
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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Resistencia de viento: 12 grados (118 kmh)
b) LA COMBINACIÓN DE DIÉSEL Y ENERGÍA FOTOVOLTAICA.
Las instalaciones fotovoltaicas no generan emisiones. Necesitan poco
mantenimiento y apenas tienen gastos
Corrientes. Las instalaciones poseen una estructura modular y pueden
adaptarse de forma flexible a la necesidad energética actual. Pese a tener
unos costes iniciales más elevados, en regiones muy soleadas las
instalaciones fotovoltaicas se amortizan en un plazo de entre tres y cinco
años. Por esta razón, la energía fotovoltaica es el complemento ideal
para el suministro apoyado por diésel precisamente para las industrias
que consumen mucha energía en regiones apartadas sin acceso a la red
pública o con unas infraestructuras insuficientes
Rentable, respetuoso con el ambiente y eficiente.
Para los operadores de explotaciones mineras e industrias de materias
primas, grandes explotaciones agrarias como empresas de floricultura,
plantas desalinizadoras o complejos turísticos como hoteles o parques de
capacidad operativa así como una fiabilidad y una disponibilidad
máximas. Y precisamente esto es lo que hace que los sistemas híbridos
con la SMA Fuel Save Solution sean tan atractivos. Ofrecen enormes
ventajas frente a un suministro exclusivo con diésel:
Menores costes de combustible.
Reducido riesgo de subida de los precios y de abastecimiento
gracias a una seguridad de planificación máxima.
Mínima emisión de CO2 que permite el comercio con
certificados de CO2 • Prestigio “ecológico” por el uso de energía
fotovoltaica.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
63
c) LA COMBINACIÓN SOLAR EOLICA Y ENERGÍA
FOTOVOLTAICA.
Hoy en día se ha combinado
la energía eólica con la
fotovoltaica para lograr una
mejor eficiencia en la
obtención de electricidad,
esto se pudo lograr gracias a
aerogeneradores de grandes
dimensiones conocidos como
“turbinas de viento”. La
energía solar eólica se
adquiere cuando se conecta al
panel fotovoltaico un
aerogenerador formado por
un conjunto de aspas, a su
vez, interconectadas a un
rotor que, mediante
engranajes, se conecta a un
generador eléctrico.
Toda esta maquinaria se
ubica en la cima de un mástil
para captar mejor la influencia del viento; cuanto mayor es el área de
barrido, mayor será la potencia que puede generar el aerogenerador, esta
área estará definida por la longitud de las aspas de la máquina. La
energía fotovoltaica eólica puede producirse utilizando pequeños
aerogeneradores de 400 W y 1 metro de diámetro de aspas; muchos
individuos asumen que este tipo de energía solo se emplea de forma
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
64
industrial pero esta idea es errónea ya que existen actualmente
instalaciones de uso doméstico capaces de generar 400 W a 3,2 KW.
3. ENERGÍA DEL FUTURO.
El modelo energético actual se basa
principalmente en el consumo de
combustibles fósiles. La
supervivencia de este modelo
energético, implantado a principios
del pasado siglo XX, es más que
dudosa, debido al encarecimiento y
agotamiento progresivo de las
reservas de petróleo, carbón y gas
natural (estos recursos podrían
agotarse totalmente antes del final del
presente siglo), y, al mismo tiempo,
sumamente perjudicial para el planeta,
por el incremento de emisiones de
gases de efecto invernadero asociados
al calentamiento global.
Actualmente, más del 95% de la energía que se consume en el mundo proviene de
combustibles fósiles, tales como el carbón (más de un 30%), el gas natural (más de
un 15%) y el petróleo (un 40% aproximadamente). Según los expertos, hay reservas
de gas natural tan sólo para unos 60 años, y las de petróleo únicamente durarán unos
40 años más.
Es obvio que la Humanidad tendrá que empezar a utilizar masivamente y desarrollar
opciones para generar otro tipo de energías ajenas a los combustibles fósiles. Se
debe ir reduciendo progresivamente la dependencia de los combustibles sólidos,
esos recursos escasos y contaminantes. Más tarde o más temprano (pero cuanto
antes, mejor), la Humanidad deberá dejar de utilizar los combustibles fósiles como
su principal fuente de energía primaria y sustituirla por energías más seguras, más
abundantes, menos contaminantes y, en definitiva, menos perjudiciales para el
medio ambiente y más beneficiosas para la Humanidad.
Una de las energías del futuro es, sin duda, la energía solar. Es una energía
renovable, inagotable, limpia y respetuosa con la naturaleza y el ambiente (por eso
también se incluye dentro de las denominadas energías verdes). A través de
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
65
colectores solares, la radiación solar se puede utilizar para calentar agua, y también
se puede transformar en energía eléctrica mediante módulos o paneles fotovoltaicos,
instalables en techos de viviendas o naves industriales o bien en los denominados
huertos, solares o parques fotovoltaicos.
La producción de energías verdes, y concretamente, la de energía fotovoltaica, va en
aumento no sólo por los actuales y los previsibles avances tecnológicos sino
también por claros compromisos políticos. Por ejemplo, el Ministerio de Industria,
Turismo y Comercio de España está intentando que las energías verdes lleguen a
producir más de 80.000 MW que puedan cubrir más del 40% de la demanda
eléctrica antes del año 2030. Se están fomentando medidas para conseguir que las
energías renovables cubran más de un 10% de la demanda de energía eléctrica antes
del año 2010, y un 20% antes del año 2020.
Tal y como se dice en la 'Guía Solar' de Greenpeace, una instalación solar
fotovoltaica puede situarse casi en cualquier lugar y en instalaciones de diferente
tamaño. Se trata de una tecnología renovable de generación de electricidad
fácilmente instalable y cuya producción puede distribuirse directamente en los
puntos de consumo de nuestros pueblos y ciudades, donde y cuando se consume la
mayoría de la electricidad del país. De esta forma, cualquier edificio puede
convertirse en una pequeña central generadora de electricidad.
La energía que nos regala el Sol es limpia, renovable y abundantísima: la cantidad
que recibe la Tierra en 30 minutos es equivalente a toda la energía eléctrica
consumida por la humanidad en un año. Sería absurdo que no se aprovechara la
energía solar para calentar agua o para producir energía eléctrica, un tipo de energía
renovable y limpia, es decir, energía verde.
La instalación de energía solar fotovoltaica en lugares que disponen de una
conexión a la red eléctrica es ya una realidad. La energía solar fotovoltaica
conectada a la red puede ser instalada en viviendas, centros de enseñanza,
hospitales, edificios de la Administración, fábricas, aparcamientos, techos de naves
industriales, centros comerciales o terrenos específicamente destinados a convertirse
en parques fotovoltaicos.
Según la prestigiosa firma de consultoría Arthur D. Little, "en un entorno de
creciente dependencia energética, elevados precios de combustibles fósiles y
emisiones por encima de las comprometidas con nuestros socios europeos, las
renovables en general, y la solar fotovoltaica en particular deberán jugar un papel
fundamental en la cobertura de la demanda eléctrica".
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
66
En el informe estratégico elaborado por Arthur D. Life, a petición de la Asociación
de la Industria Fotovoltaica (ASIF) y de la Asociación de Productores de Energías
Renovables (APPA), se llega a la conclusión de que "a medio y largo plazo la
energía solar fotovoltaica debería jugar un papel significativo en la cobertura de la
demanda eléctrica en España. El modelo actual de cobertura no es sostenible, ya que
a medio y largo plazo implicaría unas emisiones de gases de efecto invernadero
muy por encima de las comprometidas por nuestro país a nivel internacional y un
aumento de la ya elevada dependencia energética. La solar fotovoltaica, con un
potencial de desarrollo casi ilimitado en nuestro país y un fuerte apoyo social que
facilita su despliegue, deberá contribuir de manera significativa a la cobertura".
Una instalación de tecnología fotovoltaica se caracteriza por su simplicidad,
silencio, larga duración, por requerir muy poco mantenimiento y por su enorme
fiabilidad. Las posibilidades de utilización de la energía solar fotovoltaica son muy
variadas y amplias, con enormes y necesarios beneficios medioambientales, sociales
y económicos.
4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR.
4.1. VENTAJAS DE LA ENERGIA SOLAR.
La energía solar presenta las mismas ventajas que el resto de las energías
renovables:
Ventajas Medioambientales:
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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La energía solar contribuye a la reducción de las emisiones de CO2, no
produce residuos de difícil tratamiento y constituye una fuente de energía
inagotable.
Una instalación solar térmica en una vivienda unifamiliar con 2 m2 de
colectores solares puede evitar anualmente 1,5 t de CO2. Por otro lado una
instalación fotovoltaica de 5 kWp evitaría la emisión de 2,3 t de CO2 al año.
Ventajas Estratégicas:
Tanto la energía solar térmica como la fotovoltaica provienen de recursos
autóctonos por lo que disminuye la dependencia energética y económica
exterior.
Ventajas Socioeconómicas:
El desarrollo de la energía solar presenta el valor añadido de generar puestos
de trabajo y permitir el desarrollo de tecnologías propias.
Pero además la energía solar presenta otras ventajas propias como
consecuencia de su tecnología y del gran potencial solar de España y más
concretamente de la Comunidad de Madrid.
- Energía solar térmica:
Tras décadas de aplicaciones exitosas, puede decirse que la energía solar térmica ha
alcanzado su plena madurez tecnológica e industrial en España. Este desarrollo ha
propiciado mejoras en los diseños de los productos aumentando la eficiencia de las
instalaciones. Las ventajas de este tipo de energía son las siguientes:
Cuentan con una tecnología plenamente madura.
Elevada versatilidad: se puede adaptar a gran variedad de requerimientos.
Son sistemas sencillos y fáciles de instalar.
Los costes de operación y mantenimiento son muy reducidos, por tanto
aunque la inversión pueda ser importante, éste es el único gasto significativo
en los 25-30 años de vida media de la instalación.
Constituye una fuente de ahorro al reducirse el tiempo de funcionamiento de
las instalaciones convencionales de apoyo que es necesario mantener.
- Energía solar fotovoltaica:
Aunque la fabricación de las células fotovoltaicas requiere el uso de elementos
tóxicos, si se considera el ciclo de vida de la tecnología fotovoltaica (desde la
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
68
extracción de la materia prima hasta el final de su vida útil), el impacto sobre la
naturaleza es incomparablemente menor que las tecnologías basadas en
combustibles fósiles o nucleares. Además presenta ventajas adicionales:
Son sistemas sencillos y fáciles de instalar.
Elevada versatilidad: pueden situarse en casi cualquier lugar y en
instalaciones de diferente tamaño.
Instalaciones fácilmente modulables, con lo que se puede aumentar o reducir
la potencia instalada fácilmente según las necesidades.
Una vez instalada tiene un coste energético nulo.
Ingresos adicionales en el caso de las instalaciones conectadas a red.
Mantenimiento y riesgo de avería muy bajo.
Beneficios sociales, acerca al ciudadano al uso racional de la energía,
respetando hábitos de consumo más respetuosos con el medioambiente.
Se trata de una tecnología en rápido desarrollo que tiende a reducir el coste y
aumentar el rendimiento.
En el caso de las instalaciones aisladas de la red se pueden añadir además las
siguientes ventajas:
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
69
Evita un costoso mantenimiento de líneas eléctricas en zonas de difícil
acceso.
Elimina los costes ecológicos y estéticos de la instalación de líneas en esas
condiciones.
Contribuye a evitar el despoblamiento progresivo de determinadas zonas.
Es una energía descentralizada que puede ser captada y utilizada en todo el
territorio.
4.2. DESVANTAJAS DE LA ENERGIA SOLAR.
La energía solar Al ser una fuente de energía renovable presenta muchas ventajas,
ya que no produce emisiones de gases de efecto invernadero, es inagotable y tiene
muchas aplicaciones, tanto a nivel doméstico como a gran escala.
Sin embargo, también presenta algunas desventajas, como son la variación de la
cantidad de energía que se puede producir a lo largo del año, el elevado coste inicial
y el impacto visual de los paneles instalados.
La energía producida varía a lo largo de las estaciones.
La generación de energía solar depende principalmente de la temperatura
ambiente y de la radiación solar incidente. A menos horas de luz menos
energía se genera, por lo que la producción de energía es mucho menor en
invierno que en verano.
Esto implica que, en determinadas épocas del año, es necesario completar la
producción de energía con otros combustibles.
Es necesaria una fuerte inversión inicial.
La instalación de paneles solares supone una gran inversión inicial. Aunque el
período de vida de las instalaciones se estima en 25 años, se necesitan al menos 10-
15 años para recuperar el coste inicial.
Además, las instalaciones necesitan de un mantenimiento periódico adecuado para
que funcionen correctamente.
Los paneles solares producen un impacto ambiental
Los paneles solares tienen un gran impacto visual en el paisaje cuando se emplean
para producir electricidad a gran escala, ya que ocupan grandes extensiones. Este
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
70
impacto también es visible en las cubiertas de los edificios con paneles instalados,
aunque en menor medida. De hecho, en algunos casos, no se permite su instalación
en edificios protegidos, como los Bienes de Interés Cultural (BIC).
Por otro lado, los paneles se fabrican con materiales que deben tratarse como
residuos peligrosos al final de su vida útil (silicio, plomo…).
Otras desventajas
En el caso de utilización de la energía solar fotovoltaica, el precio del kWh
generado es más alto que mediante otras tecnologías.
Por último, en muchos casos, las zonas de mayor radiación solar son lugares
desérticos, alejados de las áreas de consumo.
5. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR EN EL PERÚ.
La energía solar en el Perú es en muchos lugares del territorio, lo suficientemente
alta y uniforme (comparada con otros países) para ser considerada como una fuente
energética utilizable para fomentar el desarrollo de nuestras comunidades.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
71
Las principales aplicaciones solares utilizadas en el Perú son los sistemas
fotovoltaicos y los sistemas de calentamiento de agua (termas solares). Según un
estudio del Ministerio de Energía y Minas del 2014 (2) existen alrededor de 10000
termas solares instaladas principalmente en Arequipa, Ayacucho, Lima, Puno,
Tacna y Ancash. Cabe resaltar que en Arequipa hay toda una industria dedicada a
esta tecnología. La misma fuente menciona que hasta esa fecha se habían instalado
640 cocinas solares en todo el país y cerca de 764 secadores solares. También se
menciona que la potencia Fotovoltaica instalada hasta esa fecha era de 3.73 Mwp,
siendo las principales aplicaciones la electrificación domiciliaria y las
telecomunicaciones. Cabe destacar en esta área el proyecto PER/98/G31
Electrificación Rural a Base de Energía Fotovoltaica mediante el cual se han
instalado cerca de 5424 SFV domiciliarios de 50 Wp en los departamentos de
Cajamarca, Pasco, Loreto y Pucallpa.
Hay muchas razones por las cuales a pesar de que tenemos altos niveles de
radiación solar, este tipo de tecnologías no han tenido el despegue que merecen,
entre ellas la falta de una política energética gubernamental que fomente su uso,
experiencias fallidas que fomentan el escepticismo (experiencias fallidas
principalmente por un mal planeamiento y o ejecución de los proyectos más que por
la tecnología en sí), falta de desarrollo de la industria local en este tema, etc..
La energía solar a través de sus múltiples aplicaciones pueden sin duda mejorar las
condiciones de vida de los pobladores de las zonas rurales de nuestro país y también
ser una alternativa energética viable para las zonas urbanas (hay que tomar en
cuenta por ejemplo el ahorro producido con el calentamiento de agua). Esperemos
que este panorama cambie pronto para bien.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
72
5.1. EJEMPLOS DE APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR EN EL PERÚ.
5.1.1. ENERGIA SOLAR FOTOTERMICA.
Conversión de la energía solar en Calor mediante: secadores solares, Cocinas
solares, invernaderos, termas Solares, etc.
Secado Solar.
El aprovechamiento tradicional de la energía solar más difundido es el secado
solar de productos agrícolas, exponiendo el producto directamente a la radiación
solar. Para superar los inconvenientes de este método (bermas, disminución de
la calidad,
etc.). El CER-UNI realizó, con apoyo de la cooperación técnica alemana entre
1983 y 1990 el proyecto “Desarrollo y difusión de secadores solares para
productos agrícolas y alimenticios”, cuyos resultados están incluidos en el libro
“Teoría y práctica del secado solar”. Posteriormente, hasta el día de hoy, siguen
realizándose trabajos en este tema (p.ej. secadores de orégano, CERT, Tacna) y
varios de los modelos de secadores solares estudiados, de construcción simple
con materiales disponibles en el campo, han encontrado una difusión en el
campo.
SECADORES SOLARES
Secador solar tipo túnel
(Curso en Moyobamba)
SECADOR SOLAR TIPO
Estante – Tacna
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
73
Termas Solares.
La experiencia de calentamiento solar de agua el país viene desde inicios de
siglo en la ciudad de Arequipa, en donde se instalaron termas solares para
uso doméstico.
El ITINTEC y algunas universidades nacionales recogieron esta larga
experiencia para desarrollar termas solares de agua domésticos.
Actualmente se estima una producción mayor a cien metros cuadrados de
colectores solares por mes. Se venden principalmente en la ciudad de
Arequipa. Sin embargo, una gran demanda de termas solares proviene
también de otros lugares del país, tales como Tumbes, Piura, Cajamarca,
Chiclayo, Trujillo, Lima, Ica, Cusco, Tacna y Puno.
Si cada terma solar de uso doméstico transforma 3 kWh de energía solar al
día, 5,000 Termas transformarán 15 MWh, lo que corresponde (según el uso
promedio diario de Instalaciones termoeléctricas) a una planta de 3 MW.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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POTENCIAL DE USO DE TERMAS SOLARES EN EL PERÚ.
Su aprovechamiento sirve para uso doméstico (higiene y cocina) para locales
sanitarios (Postas médicas) en la pequeña industria (lavanderías vecinales,
camales, avicultura, etc.).
Su rango de operación está entre los 20 – 100 °C.
Las capacidades de las termas solares tanto las de fabricación local
como las importadas varían entre 50 – 2000 litros.
Para el Perú puede considerarse dependiendo de la región y de los
materiales de construcción el valor de 60 – 70 litros / m2 de
superficie
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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TERMA DE 1100 LITROS (HUAMANGA)
Características Técnicas:
Ciudad: Huamanga
Departamento: Ayacucho
Latitud: 13° 10 Sur
Longitud: 74° 14’ Oeste
Capacidad: 1,100 litros por día
Temperatura inicial: 15 °C
Temperatura final: 45 °C
Módulos: 14
Energía captada por día: 30.80 Kw-h por día
Costo: 3,800 Dólares Americanos (no se incluye el IGV)
Costo de mantenimiento: 100 Dólares Americanos por año
Kw-h en Huamanga: S/.0.38 equivalente a $ 0.11 de Dólar Americano
Tiempo de vida útil: 15 años
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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TERMAS DE 200 LITROS HUACHIPA
Cocinas Solares
VENTAJAS
Permiten ahorrar energía y por tanto también suponen un ahorro
económico, son muy fáciles de usar.
Algunas se puede transportar y usar cuando vamos de vacaciones: a
la montaña, playa, campo,... respetando el entorno (se elimina la
contaminación por otros combustibles, el humo; se limita el riesgo de
incendios,...).
Los alimentos en la cocina solar cuecen a una temperatura moderada
así que no tenemos que estar pendientes de la cocción.
mantienen mejor los nutrientes de los alimentos.
pueden ser utilizadas para calentar los alimentos o descongelarlos.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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DESVENTAJAS
Se tarda más que usando cocinas convencionales. Aunque desde mi
punto de vista no tiene porque ser un problema ya que es sólo
cuestión de paciencia. Para unos puede ser una pérdida de tiempo,
para otros una oportunidad para realizar otras actividades.
La segunda desventaja y ésta si que es más condicionante es que,
como su nombre indica, necesita sol para funcionar. Así que somos
dependientes de las condiciones climáticas y de la intensidad de sol.
En días nublados se hace difícil utilizarlas y en invierno también
porque se reducen las horas de sol.
Relacionada con la anterior, el horno solar no sustituye sino que
complementa las cocinas convencionales.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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5.1.2. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
En el Perú, comparada con otros países, existen todavía pocos sistemas
Fotovoltaicos, SFV: Hasta 2005, en el Perú hay alrededor de 10 000 SFV
instalados, con una potencia total de 1,5 MWp. (1) 65 % de esta potencia
corresponde a SFV para telecomunicaciones, 29 % para iluminación interna a casas,
incluyendo postas de salud, salas comunales, etc., y el resto para otros usos
(refrigeración, bombeo de agua, etc. Los principales proyectos de electrificación
rural, están descritos a continuación. Hay que anotar que la mayoría de los SFV
usados para electrificación rural son del tipo “Sistema Fotovoltaico Domiciliario”,
SFD (en inglés: “solar home de plomo acido, un regulador de carga, y 2 – 4
lámparas fluorescentes de 9 – 11 W, teniendo un costo del orden de US$ 600
(incluyendo impuestos e instalación). Un SFD satisface las necesidades usuales de
electricidad de una familia en el campo
Uso f.v. domiciliario en el peru Islas flotantes de los Uros en el lago Titicaca
El Perú es un país privilegiado con La radiación solar que es un Recurso energético
natural, no contaminante y gratuito, que lamentablemente no esa provechado en
forma masiva, básicamente por desconocimiento del tema.
En el sur del país se ha desarrollado un mercado de termas solares con tecnología
propia terma solar en un asilo de Ancianos en huamanga
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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CONCLUSIONES:
La energía solar es, al igual que el resto de energías renovables, inagotable, limpia,
respetable con el medio ambiente y sentando las bases de un autoabastecimiento. Al igual
que el resto de las energías limpias, contribuye a la reducción de emisión de gases de efecto
invernadero y especialmente de CO2, ayudando a cumplir los compromisos adquiridos por
el Protocolo de Kioto y a proteger nuestro planeta del cambio climático.
Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que debemos afrontar y
superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar avanzada conllevaría
por sí misma, hay que tener en cuenta que esta energía está sometida a continuas
fluctuaciones y a variaciones más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la radiación solar es
menor en invierno, precisamente cuando más la necesitamos.
Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de captación,
acumulación y distribución de la energía solar, tanto térmica como fotovoltaica, para
conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.
GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR
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BIBLIOGRAFIA:
- Guía de la Energía Solar-Caja Madrid, Obra Social.
(http://www.fenercom.com/pdf/publicaciones/guia-de-la-energia-solar-
fenercom.pdf).
- http://twenergy.com/a/desventajas-de-la-energia-solar-528.
- Fernández Salgado. GUÍA COMPLETA DE LA ENERGÍA SOLAR
FOTOVOLTAICA Y TERMOELÉCTRICA.
- Javier Martín Jiménez.sistemas solares fotovoltaicos.
- Anne Labouret y Michel Villoz ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. MANUAL
PRÁCTICO Año 2008.
- CIEMAT. Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar
fotovoltaica. (1999).