Energía solar

La energía solar es la energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética procedente del Sol, en donde es generada por un proceso de fusión nuclear. Es limpia, renovable, abundante y está disponible en la mayor parte de la superficie terrestre. Se puede considerar el origen de casi todas las demás energías siendo de las energías renovables la que tiene más futuro y la que va a durar por más tiempo ya que seguro que no se va a agotar. La energía solar llega a la superficie de la Tierra por dos vías diferentes:

¾ Incidiendo en los objetos iluminados por el Sol (radiación directa).

¾ Por reflexión de la radiación solar absorbida por el aire y el polvo atmosférico (radiación difusa). Se da en colectores planos y células fotovoltaicas.

También existen dos tipos principales de instalaciones solares, las cuales son las siguientes:

¾ Las de torre: que reflejan la luz solar en lo alto de una torre.

¾ Las de colectores: donde el fluido receptor se calienta hasta unos 400 ºC, al circular por un conducto paralelo a cada colector y situado en su eje focal. El receptor genera vapor de agua en el circuito de turbina mediante un intercambiador de calor.

En el Sol se producen constantemente reacciones de fusión ya que los átomos de hidrógeno se fusionan dando lugar a un átomo de helio, liberando una gran cantidad de energía. De ésta sólo una pequeña parte llega a la Tierra, pues el resto es reflejado hacia el espacio exterior por la presencia de la atmósfera terrestre.

El hombre puede transformar la energía solar en energía térmica o eléctrica mediante células fotovoltaicas (solares). En el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un fluido, como por ejemplo el agua, y en el segundo caso la energía luminosa del sol transportada por sus fotones de luz, incide sobre la superficie de un material semiconductor, produciendo el movimiento de ciertos electrones que componen la estructura atómica del material. Un movimiento de electrones produce una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía de componentes eléctricos o bien electrónicos.

Comparada con las fuentes convencionales de energía, la energía solar presenta una baja densidad energética, pero puede ser concentrada para alcanzar altas temperaturas, habiéndose alcanzado hasta 3000 K en hornos solares. Se puede convertir a energía mecánica y eléctrica con eficiencias razonables. El aprovechamiento del efecto fotovoltaico en semiconductores, permite convertir la energía solar directamente a electricidad, con eficiencias del 5 al 20%.

La energía solar es por lo tanto una fuente de energía que puede ser, y ya es en muchos casos, usada en aplicaciones domésticas para calentar agua y en sistemas de calefacción y acondicionamiento de aire; aplicaciones industriales para calor de proceso; generación de electricidad por procesos térmicos y fotovoltaicos; aplicaciones agrícolas para irrigación, invernaderos, secado de granos y otros productos; potabilización de agua, etc.

La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.

Futuro

El principal freno para el crecimiento y desarrollo de esta fuente energética es el elevado coste que requiere, pese a que las innovaciones en esta área son constantes, como las nuevas baterías solares y han abaratado los precios de fabricación.

Ventajas

¾ La energía solar es de elevada calidad energética, de pequeño o nulo impacto ecológico (no contaminante) e inagotable a escala humana.

¾ No genera ningún tipo de residuos.

¾ Mediante procesos convenientes de concentración pueden alcanzarse con ella temperaturas hasta 3.000 ºC, que en principio permiten poner en marcha ciclos termodinámicos de alto rendimiento.

¾ Permite la generación de energía en el mismo lugar de consumo mediante la integración arquitectónica. Así, podemos dar lugar a sistemas de generación distribuida en los que se eliminen casi por completo las pérdidas relacionadas con el transporte -que en la actualidad suponen aproximadamente el 40% del total- y la dependencia energética.

Inconvenientes

¾ El impacto estético y el espacio que precisa para su instalación ya que 1 megavatio de potencia requiere una superficie de 10000 metros cuadrados.

¾ No puede ser almacenada, por lo que tiene que ser transformada inmediatamente en otra forma de energía (calor, electricidad, biomasa).

¾ Su aprovechamiento exige disponer de sistemas de captación de grandes superficies (por captación térmica y por captación fotónica) y algunos de sus principales componentes son muy caros.

¾ La energía solar es intermitente y variable; presenta variaciones diarias y estacionales, y está determinada por las condiciones atmosféricas, es decir, que depende del tiempo de insolación, exige un continuo seguimiento del Sol, ocupar grandes superficies y su instalación es muy costosa.

¾ La energía solar que llega a la Tierra es gratuita, pero su transformación en energía útil es muy costosa y, en muchos casos, está en fase de experimentación.

Tipos de energía solar

Analizaremos la energía solar pasiva, térmica y fotovoltaica. 1 SOLAR PASIVA

Sus principios están basados en las características de los materiales empleados en la construcción y en la utilización de los fenómenos naturales de circulación de aire. Por tanto, se establece una interrelación entre energía solar pasiva y arquitectura, ya que estos sistemas se construyen sobre la estructura del edificio. Una de las grandes ventajas de los sistemas pasivos, frente a los activos, es su gran durabilidad ya que su vida es análoga a la del edificio. Los elementos básicos utilizados en la actualidad por la arquitectura solar pasiva son:

¾ Acristalamientos: convenientemente orientados captan la energía solar reteniendo el calor por efecto invernadero.

¾ Masa térmica: tiene como finalidad almacenar la energía captada, y suele estar constituida por elementos estructurales de la edificación.

Como combinación de estos elementos básicos, se obtienen los diversos sistemas de utilización, los cuales son: sistemas de ganancia directa, sistemas de muros de inercia, invernaderos, cubiertas de almacenamiento térmico.

La repercusión en el medio ambiente de este aprovechamiento de energía solar es nula, ya que no se produce ningún tipo de impacto sobre la atmósfera, el agua o el suelo, ni tampoco otro tipo de efectos como ruido, alteraciones de ecosistemas, efectos paisajísticos particulares, etcétera. Su aplicación resulta favorable por el impacto evitado y desde el punto de vista arquitectónico. La incorporación de elementos de la arquitectura solar pasiva debe conducir a producir dos efectos sobre las edificaciones que permitan el acondicionamiento técnico de las mismas durante todas las épocas del año.

2 SOLAR TERMICA

Se basa en la captación de la radiación solar por medio de un elemento denominado colector que convierte esta radiación electromagnética en calor y electricidad. Las centrales solares térmicas se construyen según dos sistemas:

¾ Central termosolar de torre central: un campo de espejos móviles o heliostatos reflejan y concentran la radiación solar en un punto receptor situado en lo alto de una torre donde se encuentra el fluido que absorbe la energía calorífica.

¾ Central termosolar de colector distribuido: un grupo de espejos curvos y orientables proyecta la radiación sobre una tubería que los recorre y por la cual circula aceite térmico. Este fluido cederá su calor al sistema de agua y vapor.

Figura 9. Central solar térmica

Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede alcanzar la superficie captora. Así, que se suelen distinguir en:

¾ Baja temperatura (captación directa de bajo índice de concentración).

¾ Media temperatura (captación directa de índice intermedio de concentración). ¾ Alta temperatura (captación directa de alto índice de concentración).

Aplicaciones tanto a baja como a alta temperatura: en la agricultura (en invernaderos y en secadores de grano) en la industria (en el precalentamiento de fluidos, en el acondicionamiento de naves y edificios auxiliares y en la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS)), en el sector industrial y terciario (en la producción de ACS, en calefacción y en climatización de piscinas). Incluso se utiliza para la producción de frío utilizando sistemas de absorción.

Baja temperatura

Se emplean para calefacción, climatización de locales, producción de agua caliente sanitaria etc. Consisten en un conjunto de elementos llamados colectores, que absorben la radiación solar y la transmiten en forma de calor a un fluido que circula por unos conductos que se encuentran en contacto con el colector, de modo que la energía transportada por dicho fluido permite alimentar a un sistema de calefacción. Estos sistemas aprovechan la energía solar a temperaturas que oscilan entre 35 y 100 grados.

Dicho de otra forma, está destinado al calentamiento de agua por debajo de su punto de ebullición. Hay que distinguir los siguientes subsistemas:

¾ Subsistema colector. Normalmente están integrados por los siguientes elementos: superficie captadora (normalmente de color negro ), circuito por donde circula el fluido, cubierta transparente, aislamiento térmico y caja protectora.

¾ Subsistema de almacenamiento. Constituido por depósitos de dimensiones adecuadas, siendo su objetivo almacenar el agua caliente que procede de los paneles para su uso posterior.

¾ Subsistema de distribución. Constituido por redes de tuberías, válvulas, bombas y accesorios, y que tiene por finalidad transportar el agua caliente desde el sistema colector al de acumulación y desde aquí a los puntos de consumo.

¾ Subsistema de medida y control. La tecnología de media temperatura va destinada a aquellas aplicaciones que requieren temperaturas superiores a los 100º C. Este tipo de sistemas se puede utilizar para la producción de vapor o para el calentamiento de otro tipo de fluido (300º C máximo).

Además, esta aplicación de energía solar térmica de baja temperatura consta de los siguientes elementos:

¾ Cubierta exterior. Generalmente formada por una lámina de cristal, lo más transparente posible, aunque a veces es sustituida por algún tipo de plástico. Se pueden encontrar con varias capas de cristales, evitando así pérdidas de calor, pero encareciendo el colector. Es la parte más expuesta a la rotura, ya sea por agresiones externas o por efecto de la dilatación del propio cristal.

¾ Placa absorbente. Es prácticamente una placa plana pintada de negro, con objeto de aumentar su poder de absorción y disminuir la reflexión. Podemos encontrar los tubos para el fluido caloportador, que van soldados a la placa o sencillamente son parte de ella.

¾ Aislamiento. Es el recubrimiento en todos los lados del panel, excepto en la parte acristalada, que evita pérdidas térmicas. El material es cualquier tipo de aislante (fibra de vidrio, poliuretano) y el grosor depende de la aplicación, lugar, tipo de aislante. ¾ Caja exterior. Es la que alberga a todos los componentes (cubierta exterior, placa

absorbente, aislamiento) generalmente de aluminio, por su poco peso y aguante a la corrosión.

Media temperatura

Son utilizadas generalmente para la producción de vapor de cara a su aplicación a procesos industriales, o incluso para la generación de energía eléctrica, son los colectores distribuidos. Estas instalaciones constan de un conjunto de colectores de concentración, generalmente de forma cilíndrico-parabólica que recogen la energía solar y la transmiten a un fluido en forma de calor. Este fluido se calienta y transporta dicha energía calorífica por medio de un circuito primario, hasta una caldera en donde es transferida a otro fluido que circula por un circuito secundario. Este fluido (generalmente agua) se convierte en vapor a gran temperatura y es enviado a un grupo turbina-alternador para generar energía eléctrica merced a un ciclo termodinámico convencional, o es utilizado para alimentar procesos industriales o sistemas de calefacción. Las instalaciones de este tipo aprovechan la energía solar a temperaturas comprendidas entre los 100º y 300ºC.

Alta temperatura

Está dirigida a aquellas aplicaciones que requieren temperaturas superiores a los 300º C, fundamentalmente producción de energía eléctrica. En este caso se pueden emplear dos sistemas de concentración: Paraboloides (que reflejan la radiación en un punto reducido donde se encuentra el absorbedor) y Centrales de torre (formadas por un campo de espejos orientables que reflejan la radiación sobre una caldera independiente y situada en lo alto de una torre ). El calor captado en el absorbedor es cedido a un fluido que suele ser vapor de agua a presión o sodio fundido.

El generar energía térmica sin que exista un proceso de combustión supone, desde el punto de vista medioambiental, un procedimiento muy favorable por ser limpio y exento de cualquier tipo de contaminación. La única repercusión que se puede considerar para el caso de media y alta temperaturas son los relacionados con los posibles usos del suelo y los efectos paisajísticos que puede implicar su utilización.

3 SOLAR FOTOVOLTAICA

La energía solar también puede convertirse en energía eléctrica mediante células solares o fotovoltaicas llamando a este fenómeno “efecto fotovoltaico”. En la actualidad se dispone de células con eficiencias de conversión superiores al 30% por lo que el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho. Debido a la conexión de muchas de estas células se forman módulos o paneles solares. Varios módulos unidos en paralelo constituyen una placa solar. Las placas se conectan a una batería que acumula a la energía eléctrica pudiendo disponer de ella en cualquier momento. Las placas se utilizan en multitud de aplicaciones y además, se encuentran paneles con las siguientes conexiones de células:

¾ Conexión en serie: las células solares están conectadas de forma que un extremo sea conectado con el extremo opuesto de otra célula, así sucesivamente, quedando cada extremo con el contrario de la siguiente célula. Por tanto, las tensiones generadas de cada célula se suman.

¾ Conexión en paralelo: en las células, están conectados todos los lados de tipo p, por un lado, y los de tipo n por otro. Así pues, la tensión generada es la de una célula y la corriente es la suma de todas.

¾ 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.

Figura 10. Central solar fotovoltaica

Las expectativas de la energía solar fotovoltaica son muy interesantes. Las nuevas tecnologías y materiales de fabricación de las células ofrecen la posibilidad de conseguir importantes disminuciones en el precio de los paneles, lo cual permitiría que su uso se hiciera más generalizado.

Desde el punto de vista medioambiental, este tipo de energía se comporta de forma similar a la energía solar térmica, es decir, tiene sobre todo efectos positivos. En pequeñas instalaciones, el único problema que puede originar es el efecto visual. En cuanto a las grandes centrales solares el principal problema es la necesidad de espacio, que puede tener como consecuencia conflictos en cuanto a usos del suelo.

Uno de los problemas que surgen en este tipo de energía es el desaprovechamiento de la luz solar por diversas causas. En ocasiones, no hay suficiente luz para conseguir un funcionamiento de la placa; en otros casos, se produce una reflexión masiva de la luz solar. No obstante, cada vez se desarrollan más técnicas para evitar estos perjuicios, con lo que se consigue sacar un gran partido a esta energía.

Actualmente las aplicaciones más interesantes son la electrificación rural referida al sector doméstico, las aplicaciones agrícolas y ganaderas, como repetidores de radio y televisión, radiografos, balizas, aeropuertos, calculadoras...

Las centrales solares fotovoltaicas

La producción de grandes cantidades de energía eléctrica en las centrales solares fotovoltaicas se consigue con la instalación de campos solares formados por un gran número de placas que proporcionan el voltaje y la intensidad de corriente necesarios. La energía eléctrica que se obtiene está en forma de corriente continua. Para incorporarla a la red general es preciso transformarla en corriente alterna mediante un grupo convertidor.