1
. TRANFORMACION NATURAL DE LA ENERGIA
2. RECOGIDA DIRECTA DE ENERGIA SOLAR
1 Colectores de placa plana
2 Colectores de concentración
3 Hornos Solares
4 Receptores solares
5 Enfriamento solar
3. ELECTRICIDAD FOTOVOLTAICA
4
. ENERGIA SOLAR EN EL ESPACIO
5. DISPOSITIVOS DE ALMACENAMIENTO
Energía solar, energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión . Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones (véase Radiación electromagnética; Fotón), que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es 1,37 × 106 erg/s/cm2, o unas 2 cal/min/cm2.
Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que varía un 0,2% en un periodo de 30 años. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.
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.
La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y
las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos
y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para
hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan
hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño
aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para
usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región
o comunidad.
Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica.
Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa.
Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor (véase Termodinámica). La diferencia entre estas energías se manifiesta como energía mecánica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de conversión de energía térmica oceánica (CETO), requieren enormes intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para producir potencias del orden de megavatios. Véase también Océanos y oceanografía.
Los sistemas de calefacción solar activa incluyen equipos especiales que utilizan la energía del sol para calentar o enfriar estructuras existentes. Los sistemas pasivos implican diseños de estructuras que utilizan la energía solar para enfriar y calentar. Por ejemplo, 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. Muros gruesos de hormigón permiten oscilaciones de temperatura ya que absorben calor en invierno y aíslan en verano. Los depósitos de agua proporcionan una masa térmica para almacenar calor durante el día y liberarlo durante la noche.
La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales
llamados colectores solares, diseñados para recoger energía, a veces después
de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en
procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procesos térmicos,
la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se
almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energía solar se
convierte en energía eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio. Los
colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y
los de concentración.
En los procesos térmicos los colectores de placa plana interceptan la radiación solar en una placa de absorción por la que pasa el llamado fluido portador. Éste, en estado líquido o gaseoso, se calienta al atravesar los canales por transferencia de calor desde la placa de absorción (véase Calor; Transferencia de calor). La energía transferida por el fluido portador, dividida entre la energía solar que incide sobre el colector y expresada en porcentaje, se llama eficiencia instantánea del colector. Los colectores de placa plana tienen, en general, una o más placas cobertoras transparentes para intentar minimizar las pérdidas de calor de la placa de absorción en un esfuerzo para maximizar la eficiencia. Son capaces de calentar fluidos portadores hasta 82 °C y obtener entre el 40 y el 80% de eficiencia.
Los colectores de placa plana se han usado de forma eficaz para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el tejado. En el hemisferio norte se orientan hacia el Sur y en el hemisferio sur hacia el Norte. El ángulo de inclinación óptimo para montar los colectores depende de la latitud. En general, para sistemas que se usan durante todo el año, como los que producen agua caliente, los colectores se inclinan
45º.
Además de los colectores de placa plana, los sistemas típicos de agua caliente y calefacción están constituidos por bombas de circulación, sensores de temperatura, controladores automáticos para activar el bombeo y un dispositivo de almacenamiento. El fluido puede ser tanto el aire como un líquido (agua o agua mezclada con anticongelante), mientras que un lecho de roca o un tanque aislado sirven como medio de almacenamiento de energía.
Las placas colectoras utilizan la energía del Sol para calentar un fluido portador que, a su vez, proporciona calor utilizable en una casa. El fluido portador, agua en este caso, fluye a través de tuberías de cobre en el colector solar, durante el proceso absorbe algo de la energía solar. Después, se mueve hasta un intercambiador de calor donde calienta el agua que se utilizará en la casa. Por último, una bomba lleva de nuevo el fluido hacia el colector solar para repetir el ciclo.
Para aplicaciones como el aire acondicionado y la generación central de
energía y de calor para cubrir las grandes necesidades industriales, los
colectores de placa plana no suministran, en términos generales, fluidos con
temperaturas bastante elevadas como para ser eficaces. Se pueden usar en una
primera fase, y después el fluido se trata con medios convencionales de
calentamiento. Como alternativa, se pueden utilizar colectores de
concentración más complejos y costosos. Son dispositivos que reflejan y
concentran la energía solar incidente sobre un zona receptora pequeña. Como
resultado de esta concentración, la intensidad de la energía solar se
incrementa y las temperaturas del receptor (llamado ‘blanco’) pueden acercarse
a varios cientos, o incluso miles, de grados Celsius. Los concentradores deben
moverse para seguir al Sol si se quiere que actúen con eficacia; los
dispositivos utilizados para ello se llaman heliostatos.
Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta
temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los
Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2
para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para
investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren
temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.
La generación centralizada de electricidad a partir de energía solar está en desarrollo. En el concepto de receptor central, o de torre de potencia, una matriz de reflectores montados sobre heliostatos controlados por computadora reflejan y concentran los rayos del Sol sobre una caldera de agua situada sobre la torre. El vapor generado puede usarse en los ciclos convencionales de las plantas de energía y generar electricidad.
Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción (véase Refrigeración). Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor. Puesto que, en general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.
En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas.
Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor en estado cristalino, convierten la radiación en electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas células en módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho. El uso actual de las células solares se limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves espaciales.
Un proyecto futurista propuesto para producir energía a gran escala propone situar módulos solares en órbita alrededor de la Tierra. En ellos la energía concentrada de la luz solar se convertiría en microondas que se emitirían hacia antenas terrestres para su conversión en energía eléctrica. Para producir tanta potencia como cinco plantas grandes de energía nuclear (de mil millones de vatios cada una), tendrían que ser ensamblados en órbita varios kilómetros cuadrados de colectores, con un peso de más de 4000 t; se necesitaría una antena en tierra de 8 m de diámetro. Se podrían construir sistemas más pequeños para islas remotas, pero la economía de escala supone ventajas para un único sistema de gran capacidad (véase Astronáutica).
Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar como fuente energética durante los periodos de baja demanda debe almacenarse el sobrante de energía solar para cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente. Además de los sistemas sencillos de almacenamiento como el agua y la roca, se pueden usar, en particular en las aplicaciones de refrigeración, dispositivos más compactos que se basan en los cambios de fase característicos de las sales eutécticas (sales que se funden a bajas temperaturas). Los acumuladores pueden servir para almacenar el excedente de energía eléctrica producida por dispositivos eólicos o fotovoltaicos (véase Batería). Un concepto más global es la entrega del excedente de energía eléctrica a las redes existentes y el uso de éstas como fuentes suplementarias si la disponibilidad solar es insuficiente. Sin embargo, la economía y la fiabilidad de este proyecto plantea límites a esta alternativa.
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El sol es la estrella que, por el efecto gravitacional de su masa, domina el sistema planetario que incluye a la Tierra.
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La Energía solar es una energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión.
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Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos.
La conversión directa de la radiación solar en electricidad por generación fotovoltaica, es una de las formas más rentables de su aprovechamiento a largo plazo. Su sostenido desarrollo internacional permite ya aplicarla con una mayor rentabilidad que la del resto de las fuentes convencionales, en diferentes aplicaciones aisladas y remotas
Potencia y tipos de instalaciones solares fotovoltaicas
La potencia de las instalaciones fotovoltaicas se da en Wp (vatios pico), que corresponde a la potencia que dan los módulos a 25º de temperatura y bajo condiciones de insolación de 1000W/m2 (insolación aproximada de un día soleado de verano al mediodía).
La potencia en Wp del módulo corresponde, aproximadamente, a la potencia máxima que puede generar.
Existen tres rangos de potencia representativos de los distintos tipos de instalaciones de generación FV, más un cuarto correspondiente a las centrales:
· Instalaciones pequeñas de 3 kWp como planta tipo (con rango hasta 5 kW). Son aplicaciones rurales aisladas por ser una solución limpia y muchas veces económica, o aplicaciones conectadas a red sobre tejados, azoteas de casas, hechas por particulares en zonas de su propiedad o influencia; la motivación es generalmente medioambiental. Con la generación de 3kWp se cubriría el consumo propio de una casa tipo medio en al que vivan 2-3 personas, excluyendo el consumo de calefacción y aire acondicionado:
· Instalaciones medianas de 30kWp como planta tipo (con rango entre 5 y 100kWp). Son generadores en electrificaciones rurales centralizadas, o conectadas a red en edificios, normalmente integrados en la arquitectura de los mismos, instalaciones diseñadas por arquitectos innovadores y realizadas por comunidades de vecinos, empresas constructoras o corporaciones públicas y privadas que desean incorporar energía fotovoltaica en sus edificios o construcciones emblemáticas como valor añadido. Una instalación de 30kWp en un edificio supondría cubrir las necesidades eléctricas de diez viviendas medias.
· Instalaciones grandes de 300kWp como planta tipo (con rango entre 100kW y 1 MWp) Son generalmente instalaciones conectadas a red, de superficies extensas, promovidos generalmente por empresas que, en adición a su contribución a una generación limpia, desean un reforzamiento de la imagen de la empresa o entidad promotora. Una planta de 300kWp cubre el consumo de un edificio de tipo medio.
· Centrales fotovoltaicas de 3 MWp como planta tipo (con rango entre 1 y 50 MWp). Son centrales de generación, promovidas generalmente por empresas o consorcios de empresas, siendo generalmente una de ellas, la empresa local de distribución; estas empresas desean conseguir cierto rendimiento económico y una componente de generación verde. Una planta de 3MWp cubre el consumo de una población o urbanización de aproximadamente 500 vecinos.
Disponibilidad
El combustible solar de los generadores hace que estas instalaciones estén solamente disponibles, en periodos diurnos y con una potencia de generación dependiente de la radiación solar en cada momento.
Las instalaciones fotovoltaicas son de una alta fiabilidad y disponibilidad operativa alta, cercana al 100%. El mantenimiento es escaso, y no solo es conveniente hacerlo en las horas nocturnas para tener una disponibilidad diurna máxima, sino que es necesario, para evitar que existan tensiones en los generadores.
Los valores disponibles son del orden del 95%.
Vida útil
La vida útil de una planta fotovoltaica, la define la vida útil de sus componentes, principalmente el generador o módulo fotovoltaico, que constituye más del 50% del valor de la instalación. El mantenimiento escaso, pero necesario para una vida mas larga de la instalación, constituye el segundo factor en importancia.
Los módulos tienen una vida esperada de más de 40 años. Realmente no se tienen datos para saber con exactitud la vida real de un generador conectado a red porque no se tiene suficiente perspectiva. En efecto: existen módulos de instalaciones aisladas de red que llevan funcionado más de 30 años sin problemas. En cuanto a las instalaciones conectadas a red, la instalación europea más antigua es la del Laboratorio de Energía, Ecología y Economía (LEEE) de Lugano, Suiza, que empezó a funcionar hace veinte años. Los expertos del LEEE aseguran, que esta instalación, pionera en todos los aspectos y por tanto situada al principio de la curva de aprendizaje, puede estar en funcionamiento, al menos, diez años más.
La vida útil de los restantes elementos que componen la planta FV, inversores y medidores, así como los elementos auxiliares, cableado, canalizaciones, cajas de conexión etc., es la vida útil típica de todo equipo electrónico y material eléctrico, la cual es compatible con la larga vida útil del generador FV, con el adecuado mantenimiento.
NOTA: Estos valores de vida útil de más de 40 años, vienen igualmente avalados, por el extenso periodo de garantía de los generadores. En efecto, los fabricantes dan como periodo garantizado de generación de potencia, entre 20 y 25 años. (Esta garantía se refiere a que se asegura que, los módulos darán una potencia superior a 80%, de la especificada inicialmente en el momento de la compra). energia_eolica.htm