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UNIDAD II: EFICIENCIA ENERGÉTICA: LA ENERGÍA SOLAR, TÉRMICA Y PASIVA


ÍNDICE UNIDAD II: INNOVACIÓN ENERGÉTICA: LA ENERGÍA SOLAR Y TÉRMICA ______1 1. EL SOL Y LA RADIACION SOLAR. ___________________________________3 2. ENERGÍA Y CAMBIO CLIMÁTICO ___________________________________4 2.1 CAUSAS DE LOS CAMBIOS CLIMÁTICOS. __________________________________ 5 3. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. _____________________10 3.1 INTRODUCCIÓN ____________________________________________________ 10 3.2 MECANISMO DE TRANSFORMACIÓN DEL RECURSO ENERGÍA _________________ 11 3.3 LOS CAPTADORES SOLARES ___________________________________________ 12 3.4 SISTEMAS DE BAJA TEMPERATURA _____________________________________ 16 3.5 SISTEMAS DE MEDIA/ALTA TEMPERATURA _______________________________ 16 3.6 ENERGÍA SOLAR PASIVA ______________________________________________ 19 3.7 IMPACTO AMBIENTAL ________________________________________________ 20 3.8 SITUACIÓN ACTUAL ENERGIA SOLAR TÉRMICA ____________________________ 20

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1. EL SOL Y LA RADIACION SOLAR. El sol es un inmenso reactor de fusión termonuclear que quema cada segundo 600 millones de toneladas de hidrógeno a 20 millones de grados Kelvin irradiando (64070kw). Es necesario tener en cuenta el movimiento del sol y su geometría para conocer el comportamiento de la radiación solar que llega a la superficie. La orientación del sol depende de la época en la que nos encontremos. El motivo se encuentra en la elíptica, concepto que indica que el eje terrestre está inclinado con respecto al plano de su traslación alrededor del sol un ángulo de 23,45º Desde una perspectiva geocéntrica, el Sol describe un arco sobre el cielo desde su salida (orto) por el este, hasta su puesta (ocaso) por el oeste. A mediodía se encuentra justo sobre el meridiano y ocupa la posición más alta (en verano los rayos son más perpendiculares, sol más alto, a las superficies horizontales). La radiación solar que ha atravesado la atmósfera, pueden definirse: - La irradiancia solar directa (B) Directa es aquella que llega al cuerpo desde la dirección del Sol. - La irradiancia solar difusa (D) es aquella cuya dirección ha sido modificada por diversas circunstancias (densidad atmosférica, partículas u objetos con los que choca, reemisiones de cuerpos, etc.). Por sus características esta luz se considera venida de todas direcciones - La radiación solar global (G) como la potencia total recibida por una superficie procedente de las componentes directa, difusa y la irradiancia reflejada por el entorno cercano (R). Podemos relacionar estas magnitudes mediante la siguiente relación:

G=B+D+R

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2. ENERGÍA Y CAMBIO CLIMÁTICO. Se llama cambio climático a la modificación del clima con respecto al historial climático a una escala global o regional. Tales cambios se producen a muy diversas escalas de tiempo y sobre todos los parámetros meteorológicos: temperatura, presión atmosférica, precipitaciones, nubosidad, etc. En teoría, son debidos tanto a causas naturales (Crowley y North, 1988) como antropogénicas (Oreskes, 2004). El término suele usarse de forma poco apropiada, para hacer referencia tan sólo a los cambios climáticos que suceden en el presente, utilizándolo como sinónimo de calentamiento global. La Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático usa el término cambio climático sólo para referirse al cambio por causas humanas: Por "cambio climático" se entiende un cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera mundial y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante períodos comparables. Como se produce constantemente por causas naturales se lo denomina también variabilidad natural del clima. En algunos casos, para referirse al cambio de origen humano se usa también la expresión cambio climático antropogénico. Además del calentamiento global, el cambio climático implica cambios en otras variables como las lluvias y sus patrones, la cobertura de nubes y todos los demás elementos del sistema atmosférico. La complejidad del problema y sus múltiples interacciones hacen que la única manera de evaluar estos cambios sea mediante el uso de modelos computacionales que simulan la física de la atmósfera y de los océanos. La naturaleza caótica de estos modelos hace que en sí tengan una alta proporción de incertidumbre (Stainforth et ál., 2005) (Roe y Baker, 2007), aunque eso no es óbice para que sean capaces de prever cambios significativos futuros (Schnellhuber, 2008) (Knutti y Hegerl, 2008) que tengan consecuencias tanto económicas (Stern, 2008) como las ya observables a nivel biológico (Walther et ál., 2002)(Hughes, 2001).

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2.1 CAUSAS DE LOS CAMBIOS CLIMÁTICOS. El clima es un promedio, a una escala de tiempo dada, del tiempo atmosférico. Los distintos tipos climáticos y su localización en la superficie terrestre obedecen a ciertos factores, siendo los principales, la latitud geográfica, la altitud, la distancia al mar, la orientación del relieve terrestre con respecto a la insolación vientos

y a la dirección de los

y por último, las corrientes marinas. Estos factores y sus variaciones en el

tiempo producen cambios en los principales elementos constituyentes del clima que también son cinco: temperatura atmosférica, presión atmosférica, vientos, humedad y precipitaciones. Pero existen fluctuaciones considerables en estos elementos a lo largo del tiempo cuanto mayor sea el período de tiempo considerado. Estas fluctuaciones ocurren tanto en el tiempo como en el espacio. Un cambio en la emisión de radiaciones solares, en la composición de la atmósfera, en la disposición de los continentes, en las corrientes marinas o en la órbita de la Tierra puede modificar la distribución de energía y el equilibrio térmico, alterando así profundamente el clima cuando se trata de procesos de larga duración. Variaciones solares El Sol es una estrella que presenta ciclos de actividad de once años. Ha tenido períodos en los cuales no presenta manchas solares, como el mínimo de Maunder que fue de 1645 a 1715 en los cuales se produjo una mini era de Hielo. La temperatura media de la Tierra depende, en gran medida, del flujo de radiación solar que recibe. Sin embargo, debido a que ese aporte de energía apenas varía en el tiempo, no se considera que sea una contribución importante para la variabilidad climática a corto plazo (Crowley y North, 1988). Sin embargo, muchos astrofísicos consideran que la influencia del Sol sobre el clima está más relacionado con la longitud de cada ciclo, la amplitud del mismo, la cantidad de manchas solares, la profundidad de cada mínimo solar, y la ocurrencia de dobles mínimos solares separados por pocos años. Sería la variación en los campos magnéticos y la variabilidad en el viento solar (y su influencia sobre los rayos cósmicos que llegan a la tierra) quienes tienen una fuerte acción sobre distintos componentes del clima como las diversas oscilaciones oceánicas, los eventos el Niño y La Niña, las corrientes de chorro polares, la Oscilación cuasi bianual de la corriente estratosférica sobre el ecuador, etc. 5


Por otro lado, a largo plazo las variaciones se hacen apreciables ya que el Sol aumenta su luminosidad a razón de un 10 % cada 1.000 millones de años. Debido a este fenómeno, en la Tierra primitiva que sustentó el nacimiento de la vida, hace 3.800 millones de años, el brillo del Sol era un 70 % del actual. Variaciones orbitales La órbita terrestre oscila periódicamente, haciendo que la cantidad media de radiación que recibe cada hemisferio fluctúe a lo largo del tiempo, y estas variaciones provocan las pulsaciones glaciares a modo de veranos e inviernos de largo período. Son los llamados períodos glaciales e interglaciares. Hay tres factores que contribuyen a modificar las características orbitales haciendo que la insolación media en uno y otro hemisferio varíe aunque no lo haga el flujo de radiación global. Se trata de la precesión de los equinoccios, la excentricidad orbital y la oblicuidad de la órbita o inclinación del eje terrestre. Impactos de meteoritos El último acontecimiento catastrófico sucedió hace 65 millones de años. Se trata de los impactos de meteoritos de gran tamaño. Es indudable que tales fenómenos pueden provocar un efecto devastador sobre el clima al liberar grandes cantidades de CO 2, polvo y cenizas a la atmósfera debido a la quema de grandes extensiones boscosas. De la misma forma, tales sucesos podrían intensificar la actividad volcánica en ciertas regiones. Tras un impacto suficientemente poderoso la atmósfera cambiaría rápidamente, al igual que la actividad geológica del planeta e, incluso, sus características orbitales. La deriva continental La Tierra ha sufrido muchos cambios desde su origen hace 4.600 millones de años. Hace 225 millones de años todos los continentes estaban unidos. La tectónica de placas ha separado los continentes y los ha puesto en la situación actual. La deriva continental es un proceso sumamente lento, por lo que la posición de los continentes fija el comportamiento del clima durante millones de años. Hay dos aspectos a tener en cuenta. Por una parte, las latitudes en las que se concentra la masa continental: si las masas continentales están situadas en latitudes bajas habrá pocos glaciares continentales y, en general, temperaturas medias menos extremas. Así mismo, si los continentes se hallan muy fragmentados habrá menos continentalidad.

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La composición atmosférica En la actualidad, nuestra atmósfera está compuesta en un 78% en Nitrógeno (N 2), un 21% en Oxígeno (O2), un 0.9 % en Argón, un 0.4% en vapor de agua (H2O), un 0.03% en Dióxido de Carbono (CO2) y el restante se lo reparten otros gases como el Neón (Ne), el Helio (He), el Metano (CH4) o el Hidrógeno (H) y otras sustancias. La atmósfera primitiva, cuya composición era parecida a la nebulosa inicial, perdió sus componentes más ligeros, el hidrógeno diatómico (H2) y el helio (He), para ser sustituidos por gases procedentes de las emisiones volcánicas del planeta o sus derivados, especialmente dióxido de carbono (CO2), dando lugar a una atmósfera de segunda generación. En dicha atmósfera son importantes los efectos de los gases de invernadero emitidos de forma natural en volcanes. Por otro lado, la cantidad de óxidos de azufre (SO, SO2 y SO3) y otros aerosoles emitidos por los volcanes contribuyen a lo contrario, a enfriar la Tierra. Del equilibrio entre ambos efectos resulta un balance radiactivo determinado. Con la aparición de la vida en la Tierra se el total de organismos vivos, la biosfera. Inicialmente, los organismos autótrofos por fotosíntesis o quimiosíntesis capturaron gran parte del abundante CO2 de la atmósfera primitiva, a la vez que empezaba a acumularse oxígeno (a partir del proceso abiótico de la fotólisis del agua). La aparición de la fotosíntesis oxigénica, que realizan las cianobacterias y sus descendientes los, dio lugar a una presencia masiva de oxígeno (O2) como la que caracteriza la atmósfera actual, y aún mayor. Esta modificación de la composición de la atmósfera propició la aparición de formas de vida nuevas, aeróbicas que se aprovechaban de la nueva composición del aire. Aumentó así el consumo de oxígeno y disminuyó el consumo neto de CO 2 llegándose al equilibrio o clímax, y formándose así la atmósfera de tercera generación actual. Este delicado equilibrio entre lo que se emite y lo que se absorbe se hace evidente en el ciclo del CO2, la presencia del cual fluctúa a lo largo del año según las estaciones de crecimiento de las plantas. Las corrientes oceánicas Las corrientes oceánicas, o marinas, son un factor regulador del clima que actúa como moderador, suavizando las temperaturas. El campo magnético terrestre

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Las variaciones en el campo magnético terrestre pueden afectarlo de manera indirecta ya que, según su estado, detiene o no las partículas emitidas por el Sol. Se ha comprobado que en épocas pasadas hubo inversiones de polaridad y grandes variaciones en su intensidad, llegando a estar casi anulado en algunos momentos. Los efectos antropogénicos Una teoría es que el ser humano sea hoy uno de los agentes climáticos, incorporándose a la lista hace relativamente poco tiempo. Su influencia comenzaría con la deforestación de bosques para convertirlos en tierras de cultivo y pastoreo, pero en la actualidad su influencia sería mucho mayor al producir la emisión abundante de gases que, en teoría, producen un efecto invernadero: CO2 en fábricas y medios de transporte y metano en granjas de ganadería intensiva y arrozales. Actualmente tanto las emisiones se han incrementado hasta tal nivel que parece difícil que se reduzcan a corto y medio plazo, por las implicaciones técnicas y económicas de las actividades involucradas. Cambios climáticos en el pasado Los estudios del clima pasado

se realizan estudiando los registros fósiles, las

acumulaciones de sedimentos en los lechos marinos, las burbujas de aire capturadas en los glaciares, las marcas erosivas en las rocas y las marcas de crecimiento de los árboles. Con base en todos estos datos se ha podido confeccionar una historia climática reciente relativamente precisa, y una historia climática prehistórica con no tan buena precisión. A medida que se retrocede en el tiempo los datos se reducen y llegado un punto la climatología se sirve solo de modelos de predicción futura y pasada. El efecto invernadero en el pasado La atmósfera influye fundamentalmente en el clima; si no existiese, la temperatura en la Tierra sería de -20 °C, pero la atmósfera se comporta de manera diferente según la longitud de onda de la radiación. El Sol por su alta temperatura emite radiación a un máximo de 0,48 micrómetros (Ley de Wien) y la atmósfera deja pasar la radiación. La Tierra tiene una temperatura mucho menor, y reemite la radiación absorbida a una longitud mucho más larga, infrarroja a la que la atmósfera ya no es transparente. El CO 2 que está actualmente en la atmósfera absorbe dicha radiación. También lo hace y en mayor medida el vapor de agua). El resultado es que la atmósfera se calienta y devuelve a la tierra parte de esa energía por lo que la temperatura superficial es de unos 15 °C, y dista mucho del valor de equilibrio sin atmósfera. A este fenómeno se le llama el efecto

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invernadero y el CO2 y el H2O son los gases responsables de ello. Gracias al efecto invernadero podemos vivir. El CO2 como regulador del clima Durante las últimas décadas las mediciones en las diferentes estaciones meteorológicas indican que el planeta se ha ido calentando. Los últimos 10 años han sido los más calurosos desde que se llevan registros, y algunos científicos predicen que en el futuro serán aún más calientes. Algunos expertos están de acuerdo en que este proceso tiene un origen antropogénico, generalmente conocido como el efecto invernadero. A medida que el planeta se calienta, disminuye globalmente el hielo en las montañas y las regiones polares, por ejemplo el casquete glaciar de Groenlandia, aunque el hielo antártico, según predicen los modelos, aumenta ligeramente. Dado que la nieve tiene un elevado albedo devuelve al espacio la mayor parte de radiación que incide sobre ella. La disminución de dichos casquetes también afectará, pues, al albedo terrestre, lo que hará que la Tierra se caliente aún más. El calentamiento global también ocasionará que se evapore más agua de los océanos. El vapor de agua actúa como el mejor "gas invernadero", al menos en el muy corto plazo. Así pues, habrá un mayor calentamiento. Esto produce lo que se llama efecto amplificador. De la misma forma, un aumento de la nubosidad debido a una mayor evaporación contribuirá a un aumento del albedo. La fusión de los hielos puede cortar también las corrientes marinas del Atlántico Norte provocando una bajada local de las temperaturas medias en esa región. El problema es de difícil predicción ya que hay retroalimentaciones positivas y negativas. El cambio climático actual A finales del siglo XVII el hombre empezó a utilizar combustibles fósiles que la Tierra había acumulado en el subsuelo durante su historia geológica. La quema de petróleo, carbón y gas natural ha causado un aumento del CO2 en la atmósfera que últimamente es de 1,4 ppm al año y produce el consiguiente aumento de la temperatura. Se estima que desde que el hombre mide la temperatura hace unos 150 años (siempre dentro de la época industrial) ésta ha aumentado 0,5 °C y se prevé un aumento de 1 °C en el 2020 y de 2 °C en el 2050. Además del dióxido de carbono (CO2), existen otros gases de efecto invernadero responsables del calentamiento global, tales como el gas metano (CH 4) óxido nitroso

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(N2O), Hidrofluorocarbonos (HFC), Perfluorocarbonos (PFC) y Hexafluoruro de azufre (SF6), los cuales están contemplados en el Protocolo de Kioto. A principios del siglo XXI el calentamiento global parece irrefutable y los últimos años del siglo XX se caracterizaron por poseer temperaturas medias que son siempre las más altas del siglo.

ACTIVIDAD PRÁCTICA: Ordena los gases presentes en la atmósfera actual en función de la concentración en la que se encuentran presentes en la atmósfera terrestre. SOLUCIÓN:

GAS Nitrógeno (N2) Oxígeno (O2) Argón (Ar) Vapor de agua (H2O) Dióxido de carbono (CO2) Neón (Ne) Helio (He) Metano (CH4) Criptón (Kr) Hidrógeno (H) Óxido Nitroso (N2O) Xenón (Xe) Ozono (O3) Óxido de Nitrógeno (NO2) Yodo (I) Monóxido de carbono (CO) Amoniaco (NH3)

CONCENTRACIÓN 78084% 20946% 0.934% 0.4% 0.033% 0.001818% 0.000524% 0.0001745% 0.000114% 0.000055% 0.00005% 9x10-6% 7x10-6% 2x10-6% 1x10-6% trazas trazas

3. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. 3.1 INTRODUCCIÓN La luz es una forma de energía de gran pureza que puede ser transformada directamente en energía térmica, eléctrica o incluso cinética. El sol constituye una fuente de energía permanente. Está compuesto mayoritariamente por hidrógeno y helio, produciéndose continuamente un proceso nuclear de fusión por el 10


que el hidrógeno se transforma en helio, generándose una gran cantidad de energía. Esta energía llega a la tierra en forma de radiación, que es percibida en forma de luz. Sólo una parte de ese haz de luz es captado por el ojo humano, en una gama de color que va del rojo al violeta. La energía primaria empleada por la energía solar térmica es la contenida en la luz solar que es transformada en energía térmica. Está energía térmica puede ser utilizada como energía final o transformada en electricidad. Cuando la luz incide sobre los cuerpos es absorbida y transformada en calor. Este calor puede producirse a distintas temperaturas.

3.2 MECANISMO DE TRANSFORMACIÓN DEL RECURSO ENERGÍA La captación de energía solar se realiza en una superficie absorbedora expuesta a la radiación solar. Esta energía solar térmica es posteriormente transferida a un fluido caloportador, normalmente agua, aire o aceite para así transportarla al lugar de uso. La temperatura de la superficie absorbedora aumenta hasta que se estabiliza al alcanzarse un equilibrio entre la energía que gana por luz solar y la que pierde por el hecho de estar más caliente que su entorno. En función del tipo de captador, el porcentaje de perdidas que se produce a través de cada tipo de mecanismo, y por tanto la temperatura de salida varía. Cuantas menos pérdidas tenga el captador, mayor será la temperatura de equilibrio, y en consecuencia mayor será la energía térmica obtenida por el captador. La temperatura a la que se estabiliza marca la diferencia y uso de los sistemas:  SISTEMAS DE BAJA TEMPERATURA: destinada a aquellas aplicaciones que no exigen temperaturas del agua superiores a los 90˚C. Por ejemplo, agua caliente sanitaria y apoyo a la calefacción de baja temperatura, calentamiento de agua de piscinas, etc...  SISTEMAS DE MEDIA TEMPERATURA: destinada a aquella aplicaciones cuyas temperaturas de trabajo están comprendidas entre los 80˚C y los 250˚C. Como, por

ejemplo,

la

refrigeración

mediante

máquinas

de

absorción,

procesos

industriales, desalinización de agua de mar, etc.

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 SISTEMA DE ALTA TEMPERATURA: destinada a aquellas aplicaciones que requieran temperaturas del agua superiores a los 250˚C. Así, como por ejemplo, la generación de vapor para la producción e electricidad a gran escala.

3.3 LOS CAPTADORES SOLARES Los captadores solares son los elementos de las instalaciones solares térmicas, donde se transforma la energía solar en energía térmica, y proporciona este calor al sistema. Las diferentes tecnologías de captadores existentes difieren considerablemente en calidad, comportamiento, construcción y costes. La elección del captador apropiado depende principalmente de la temperatura de trabajo deseada. Hay que tener en cuanta que la eficiencia del captador decrece conforme aumenta la temperatura de trabajo. Existen diferentes tipos de captadores solares, siendo lo más común que pertenezca a uno de estos tipos: 

Captadores planos

Captadores de tubo de vacío

Captadores de concentración

CAPTADORES PLANOS Los captadores planos suelen estar diseñados para trabajar a temperaturas de hasta 8090˚C. El fluido que circula por el absorbedor suele ser agua, mezclado en muchos casos con algún tipo de anticongelante. Se pueden utilizar otros líquidos dependiendo de las aplicaciones, particularmente de la temperatura de utilización. Dentro de estos se pueden distinguir: 

CAPTADORES PLANOS SIN CUBIERTA: son aquellos en los cuáles el sol caliente un líquido que recorre una superficie absorbedora que no está cubierta por un vidrio ni cubierta transparente. Al no encontrarse aislados, son más adecuados para aplicaciones de baja temperatura en las cuáles la temperatura de demanda no supera los 30˚C. Estos captadores se usan principalmente para sistemas de

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calentamiento de piscinas exteriores, o precalentamiento de agua para diferente tipos de procesos. 

CAPTADORES PLANOS CON CUBIERTA: son aquellos en los cuáles el sol calienta un líquido en un captador que se encuentra cubierto por un vidrio o cubierta transparente. Son el tipo de captadores más común, y que se utilizan principalmente para aplicaciones de agua caliente sanitaria y calefacción. Estos son más adecuados para aplicaciones de temperatura moderada, en las cuáles la demanda de temperatura va desde los 30 hasta los 70˚C. En este tipo de captador, un absorbedor plano transforma eficientemente la radiación solar en calor. Para minimizar las pérdidas de calor, dicho absorbedor se coloca entre una cubierta (lámina de vidrio o material transparente) y una capa de aislamiento.

Balance energético Las pérdidas de energía de un captador se producen por tres mecanismos: 

Radiación: todos los cuerpos calientes emiten energía.

Convección: el aire en contacto con un cuerpo caliente se toma más liviano y escapa llevándose la energía que le ha transferido el cuerpo y siendo reemplazado por un aire frío.

Conducción: todo material situado entre un cuerpo caliente y otro fío sirve como elemento de transmisión de energía del frío al caliente.

Estos mecanismos pueden ser mitigados: 

La radiación puede ser mitigada mediante una cubierta o el empleo de superficies selectivas con bajos índices de radiación.

o

La radiación emitida por la placa absorbedora, es interceptada por el vidrio y parcialmente reflejada de nuevo hacía la placa absorbente. Se produce el conocido “efecto invernadero”, basado en la propiedad de los vidrios de dejar pasar las radiaciones de onda corta y reflejar las de onda larga, impidiendo así que la radiación que entra pueda escapar. El vidrio también evita el contacto directo de la superficie con el aire ambiente con lo que, además, se evitarán las perdidas de convección.

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La convección se reduce mediante el empleo de barreras físicas o la sustitución del aire por un medio con menos pérdidas por este mecanismo:

o

Múltiples cubiertas transparentes.

o

Aislamiento transparente. En este caso, entre la cubierta de vidrio del captador plano y la superficie absorbente se coloca un aislamiento transparente; éste es un material diseñado para permitir la transmisión de la radiación solar a la vez que evita las pérdidas caloríficas por conducción y convección. Estos captadores alcanzan elevados niveles de producción, a la vez que elevadas temperaturas de estancamiento. Son también más caros y pesados que los captadores estándar, debido a la mayor cantidad de material incluido en el conjunto.

o

Realización del vacío parcial o llenado con gas inerte del espacio existente entre el absorbedor y la cubierta del captador.

CAPTADORES DE VACÍO Se trata generalmente de series de tubos de cristal sellados. En estos captadores el aire de los tubos es evacuado, pues es esta la vía de transmisión en los procesos de convección y conducción. El grado de vacío tiene una importancia decisiva a la hora de frenar los mecanismos en transporte de calor. Los distintos tipos de tubo de vacío son: 

TUBOS DE VACÍO DE CORRIENTE DIRECTA. En este tipo de colector, el fluido de transferencia de calor fluye directamente a través del absorbedor en el tubo de vacío. Se consigue un elevado rendimiento debido a la transferencia directa de calor. Los tubos de vacío de corriente directa tienen la ventaja de que se pueden montar incluso en cubiertas planas.

TUBOS DE VACÍO “Heat Pipe”. En los tubos de vacío que incorporan el principio Heat Pipe, el tubo del absorbedor contiene una pequeña cantidad de agua (u otro fluido dependiendo de los requerimientos de temperatura). Este fluido se vaporiza en un vacío parcial, sube como vapor por el tubo del absorbedor, se condensa en el condensador y fluye de vuelta como líquido dentro del absorbedor. El condensador transfiere el calor al fluido de transferencia del captador. Este

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principio, al contrario que en el caso de los tubos de corriente directa, requiere una

mínima

inclinación

del

tubo

del

absorbedor.

La

temperatura

de

funcionamiento de estos captadores es en principio algo menor que en el caso de los anteriores, debido a la transmisión de calor adicional que tiene lugar entre el condensador y el fluido de transferencia de calor del captador. 

TUBOS DE VACIO SYDNEY. El tubo Sydney fue desarrollado como uno de doble vidrio para permitir posibles pérdidas de vacío a través de la conexión vidriometal. La superficie del absorbedor se encuentra directamente sobre la superficie del tubo de vidrio interior. Suelen utilizar un reflector para aprovechar toda el área

del

absorbedor;

estos

reflectores

son

comúnmente

utilizados

como

concentradores. CAPTADORES DE CONCENTRACIÓN Una forma para disminuir las pérdidas térmicas en captadores solares térmicos, consiste en reducir la relación entre el área del absorbedor y el área de apertura del captador solar. Esta concentración luminosa se obtiene utilizando superficies que reflejan o refractan la radiación solar y la proyectan sobre la superficie del absorbedor. Los CPC pueden trabajar con un amplio rango de ángulos incidencia, lo cual les permite captar tanto la radiación directa como la difusa, característica que resulta muy interesante en comparación con los concentradores con seguimiento. Existe una gran diversidad en la forma y diseño de concentradores: 

Receptor plano y concentrador reflector cónico.

Reflector cilíndrico y concentrador reflector cónico.

Receptor cilíndrico y concentrador reflector esférico.

Concentrador reflector tipo paraboloide de revolución.

La concentración se emplea tanto en los sistemas de media como en las altas temperaturas.

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3.4 SISTEMAS DE BAJA TEMPERATURA El captador transfiere la energía de la luz solar a un fluido en forma de calor elevando su temperatura. Esta energía térmica puede almacenarse para su posterior utilización, bien en el propio fluido de trabajo, o bien en el agua de consumo. El sistema solar de producción de energía solar térmica, se puede complementar con un sistema auxiliar convencional, garantizando la continuidad del suministro de agua caliente en momentos en los que no se cubra la demanda con energía solar. El acumulador solar permitirá aprovechar al máximo las horas de sol, ya que se almacenará la energía en aquellos momentos del día en que esto sea posible, y podrá ser utilizada cuando se produzca la demanda. Lo habitual es almacenar la energía en forma de calor sensible por medio del agua que se pasará a consumo con posteridad. Pueden encontrarse en el mercado muchos tipos distintos de acumuladores para agua caliente. Además las instalaciones cuentan con un sistema de regulación y control que fundamentalmente se encarga de asegurar el correcto funcionamiento del equipo, para proporcionar un adecuado servicio de agua caliente y aprovechar la máxima energía solar térmica posible. Esto lo consigue regulando el funcionamiento de las bombas, activándolas cuando detecte que el captador solar dispone de energía suficiente que se puede transferir al depósito de almacenamiento. Por otro lado, puede incorporar distinto elementos de protección de la instalación, como vasos de expansión, válvulas de presión y de purga.

3.5 SISTEMAS DE MEDIA/ALTA TEMPERATURA Estos sistemas están caracterizados por trabajar con altos valores de concentración del sol, altas temperaturas de los fluidos caloportadores y disponer de un sistema de conversión de calor en electricidad. Todas las tecnologías existentes

se basan en cuatro elemento básicos: concentrados,

receptor, transporte, almacenamiento y conversión de potencia. El concentrador captura y concentra la radiación solar y a continuación envía ésta hacia el receptor. El receptor absorbe la radiación solar concentrada, transfiriendo su calor a un fluido de trabajo. Este sistema de transporte/ almacenamiento transporta el fluido desde el receptor al sistema de conversión de potencia. En algunas plantas solares, una porción de la energía térmica se puede almacenar para un uso posterior. 16


Como sistemas de conversión de potencia, los ciclos Rankine, Brayton, combinados y Stirling han sido utilizados con éxito. Los tres sistemas de media-alta concentración más comúnmente empleados en plantas de producción de energía eléctrica y que trabajan en el rango del alta temperatura son los siguientes: 

LOS CAMPOS DE CAPTADORES CILINDRO- PARABÓLICOS consisten en largas filas paralelas de módulos iguales. Mediante un sistema de seguimiento solar de este a oeste por rotación sobre un eje, los captadores cilíndricos concentran la radiación solar sobre un absorbedor con forma de tubo que se encuentra situado a lo largo de su línea focal. Un medio de transferencia de calor, comúnmente aceite y a temperaturas muy altas, circula a través de los tubos. El aceite caliente evapora el agua, y el vapor de agua generado mueve el generado de una turbina de vapor.

LOS SISTEMAS DE

RECEPTOR CENTRAL O TORRES

DE

POTENCIA

se

encuentran rodeados por una serie de espejos con seguimiento solar en dos ejes dominados helióstatos, y que reflejan la radiación solar directa sobre un receptor situado en lo alto de la torre. Dentro del receptor, un fluido- se han hecho prueba con agua, aire y metales líquidos- transfiere el calor solar absorbido al bloque de potencia donde es empleado para calentar un generador de vapor. 

LOS SISTEMAS DE DISCO PARABÓLICO consisten en un concentrador puntual parabólico con forma de disco que refleja la radiación solar haciéndola incidir sobre un receptor situado en el punto focal. Este tipo de concentradores se encuentran colocados en estructuras con sistemas

de seguimiento solar en dos ejes. El calor

recogido es comúnmente utilizado directamente por un motor colocado en el receptor; se suelen utilizar motores de ciclo Stirling y Brayton, y se están realizando estudios sobre la aplicación de los ciclos Rankine para grandes campos de producción. Existe además la posibilidad de integrar este tipo de centrales con las de ciclo combinado en las denominadas Centrales Solar Integrada de Ciclo Combinado (ISCC). Es especialmente interesante la capacidad de estas centrales de funcionar fuera de las horas de sol mediante el uso de sistemas de almacenamiento de calor como las sales fundidas o el sistemas volumétrico que les permite no sólo garantizar potencias,

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problema fundamental de otras energías renovables, sino optimizar la operación de la central. DESARROLLO EN SOLAR TÉRMICO DE ALTA TEMPERATURA PARA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD En el año 1977 cuando se creó la Plataforma Solar de Almería (PSA). Desde entonces, se ha trabajado para promover la introducción en el mercado de las tecnologías termoeléctricas y las derivadas de los procesos de química solar, así como potenciar la innovación tecnológica y la cooperación entre el sector empresarial y las instituciones científicas en el campo de la investigación, el desarrollo y la demostración. Es en la actualidad cuando se ve claramente el fruto de todos estos años de trabajo, lo que nos produce una gran satisfacción a la vez que nos empuja a

seguir adelante en la

contribución a la mejora de esta tecnología. Las centrales solares termoeléctricas se presentan como una de las aplicaciones con más fuerza para el futuro, pudiendo suministrar hasta el 5% de la demanda mundial de energía en el año 2040. Según otras fuentes, en un escenario de desarrollo industrial moderado, la energía solar térmica de concentración podría abastecer para 2030 entre el 3% y el 36% de las necesidades energéticas previstas en el mundo y entre el 8.5% y el 11.8% en 2050. Estos ratios podrían alcanzar entre el 18.3% y el 25.7% en 2050. APLICACIONES DE MEDIA Y BAJA TEMPERATURA La idea del empleo de la energía solar para la producción de agua caliente para uso doméstico (agua caliente sanitaria, calefacción, calentamiento de piscinas, etc.) se encuentran muy extendida. Sin embargo existen varios campos potenciales de aplicación de la energía solar térmica a un nivel medio de temperatura (80- 250˚C), siendo los más importantes la producción de calor para procesos industriales y la refrigeración solar. REFRIGERACIÓN SOLAR El uso de energía solar como forma de alimentar las máquinas empleadas en refrigeración es una forma de reducir estos problemas. Estos sistemas utilizan el calor solar para hacer funcionar enfriadoras de absorción, así como sistemas evaporativos. Un sistema solar de refrigeración correctamente diseñado es capaz de producir frío con un consumo de energía eléctrica considerablemente menor que un sistema convencional.

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OTRAS APLICACIONES SECADO SOLAR: Para conservación de alimentos. Durante siglos, esparciendo el grano para exponerlo al sol y al aire. CALEFACCIÓN SOLAR POR AIRE: Succión de aire a través de un colector solar perforado, que puede servir al mismo tiempo de pared de un edificio. Edificios industriales con gran demanda de ventilación. DESALINIZACIÓN SOLAR: La escasez de agua potable se da muchas veces en áreas con un alto índice de radiación solar. La destilación solar se realiza por medio de un alambique solar. COCINAS SOLARES. Estos artefactos permiten el cocinado de alimentos y la pasteurización

de agua en pocas horas, haciendo posible que en muchos lugares del

mundo se ahorren cantidades considerables de leña para cocinar, además de reducir el riesgo de enfermedades por contaminación de agua. La Asociación Brahma en la India instaló en el año

1996 capacidad 1000 comidas /día. Luego construcción de la cocina

solar más grande del mundo: 84 espejos concentradores para la producción de vapor que alimenta una cocina que actualmente es capaz de hervir más 35.000.

4. ENERGÍA SOLAR PASIVA. Una de las mejores maneras de reducir el consumo de energía en el ámbito de la vivienda es sacar el máximo provecho a la energía solar, por medio de lo que hoy se denomina “arquitectura bioclimática”. El principio de la arquitectura bioclimática consiste en valerse de determinados elementos arquitectónicos para aprovechar el calor del Sol y la ventilación natural. Contar con un sistema de aislamiento eficaz puede ayudar, y mucho, a climatizar una vivienda de forma natural.

na casa mal aislada estará menos

protegida ante las inclemencias del tiempo y tenderá a desperdiciar energía al enfriarse rápidamente en invierno y al calentarse en menos tiempo durante el verano. Se calcula que entre el 25 y el 30% de nuestras necesidades de calefacción o de aire acondicionado son debidas a las perdidas de calor que se originan en las ventanas. Los sistemas de doble cristal o doble ventana representan una forma eficaz de potenciar el “efecto invernadero” en el hogar, además de disminuir las corrientes de aire, condensación de agua, o la formación de escarcha.

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Tienen importancia, asimismo, otros aspectos como el color de muros y tejados a la hora de conseguir una mayor eficiencia energética en los edificios. Los árboles, setos, arbustos o enredaderas, también pueden contribuir al ahorro de energía. Ubicados en lugares adecuados, no solo aumentan la estética y la calidad ambiental, sino que además proporcionan sombra y protección ante el viento. Además, el agua que se evapora durante la actividad fotosintética enfría el aire y puede lograr una bajada de temperatura de entre 3 y 6 °C, en las zonas arboladas.

5. IMPACTO AMBIENTAL. Las principales ventajas medioambientales de la energía solar térmica de baja temperatura, aquella que utilizamos en el ámbito de la vivienda, son: se trata de una energía que proviene directamente del Sol, no emite gases contaminantes perjudiciales para la salud, no emite gases de efecto invernadero que provocan el cambio climático, no produce ningún tipo de desperdicio o residuo peligroso de difícil eliminación, no produce efectos significativos sobre la flora y la fauna, a no ser que hagamos referencia a las instalaciones de alta temperatura, que suelen ocupar una gran extensión de terreno, su impacto

sobre

el

medio

ambiente

es

mínimo,

y

de

producirse

alguno

ocurre

exclusivamente durante la fase de fabricación de los equipos, este tipo de instalaciones no dejan huella ecológica cuando finaliza el periodo de explotación, es una energía que no corre peligro de agotarse a medio plazo, puesto que su fuente productora es el Sol, y no requiere costosos trabajos de extracción, transporte o almacenamiento. Por el contrario, en el lado de los debes de la energía solar térmica cabe destacar el impacto visual sobre el paisaje, por lo que es conveniente tener especial cuidado en su integración en el entorno, así como en su adaptación a los edificios. En este sentido, en los últimos años se ha avanzado mucho en cuanto al trabajo y aceptación de los diseñadores de las instalaciones y arquitectos. Existen numerosos ejemplos de las numerosas posibilidades de integración de los equipos, sobre todo si la instalación se considera desde la concepción del proyecto en el que va a ir ubicada.

6. SITUACIÓN ACTUAL ENERGIA SOLAR TÉRMICA. España es capaz de cubrir el 70 % de las necesidades de producción de agua caliente de todos los hogares. Las provincias del sur de Andalucía y Canarias son las que concentran mayor número de horas de sol anuales, alcanzando las 3.000. También se observa una mayor concentración de instalaciones solares en zonas turísticas o de alto nivel de renta.

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España aún se encuentra lejos de los objetivos nacionales fijados en el PER, que planteó alcanzar una superficie instalada de 4,9 millones de metros cuadrados para el año 2010.

ACTIVIDAD PRÁCTICA: Describe brevemente las funciones prácticas de: la Energía Solar Térmica de Baja/Media Tª, la Energía Solar Térmica de Alta Tª y la Energía Solar Pasiva. SOLUCIÓN: Energía Solar Térmica de Baja/Media Tª La idea del empleo de la energía solar para la producción de agua caliente para uso doméstico (agua caliente sanitaria, calefacción, calentamiento de piscinas, etc.) Energía Solar Térmica de Alta Tª Principalmente la generación de electricidad, producción de calor para procesos industriales y la refrigeración solar. Energía Solar Pasiva Climatización de viviendas a través del aislamiento.

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Unidad 2: Innovación energética. La energía solar y térmica  
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