2. Formas de utilización de la energía solar.

Transcripción

1 La energía solar. 1. Introducción. Radiación electromagnética El sol es una esfera de gas cuya composición es prácticamente de hidrógeno(70%) y de helio(30 %). Es un reactor nuclear de fusión, alcanzando el núcleo solar una temperatura cercana a ºK ; las presiones que se someten dicho gas es del orden de at., teniendo una temperatura en la corteza de 5762 ºK. Como consecuencia de esta elevada temperatura, emite energía en forma de radiación electromagnética, que se propaga mediante ondas transversales; sus longitudes de onda y frecuencia son variables, aunque todas ellas se propagan a la misma velocidad, a la velocidad de la luz, c = (m/s). La relación que existe entre la longitud de onda y la frecuencia se expresa mediante la siguiente ecuación : c = υ. λ λ, es la longitud de onda y se mide en submúltiplos de unidades de longitud : en nm., el μm o el А (angstrom) que equivale a m. υ, es la frecuencia y se mide en Hertzios. El conjunto de ondas electromagnéticas, forma el espectro, que de una forma continua se puede representar: radiación Rayos X UV uz visible IR microondas Ondas de TV y de radio cósmica λ (A) energía Para explicar la energía absorbida por los cuerpos, es necesario definir las leyes de radiación. Estas son las siguientes: 1. Todo cuerpo por encima de 0º K emite energía radiante. 2. Cuando la radiación luminosa incide sobre un objeto, se cumple que: r + α + t = 1, siendo r, α y t los coeficientes de reflexión, absorción y transmisión. 3. La energía emitida por unidad de superficie y por unidad de tiempo es proporcional a la temperatura elevado a la cuarta: E = σ T 4, siendo σ = 5, ( W/m 2 K 4 ) 4. Todo cuerpo material emite radiación a una longitud de onda máxima λ max. T = 2897 ( μm. ºK) La potencia del sol que llega a la tierra es de E = 1353 (W/m 2 ) Si esto fuera a sí, la temperatura media de la tierra sería de 120º C. Para disminuir esta temperatura, es necesario que la radiación solar que llega a la tierra, parte sea reflejada y parte transmitida. Así, el vapor de agua, absorbe radiación IR; los gases que forman parte de la atmósfera difunden las radiaciones de baja longitud de onda; el hielo de los casquetes polares, reflejan la radiación solar. 2. Formas de utilización de la energía solar.

2 La energía procedente del sol se manifiesta fundamentalmente en forma de calor y y luz. Cuando se aprovecha el calor la conversión energética se denomina térmica. Si se aprovecha la luz, la conversión es fotovoltáica. Cuando un cuerpo se expone al sol, parte de las radiaciones se reflejan, otras se transmiten y otras se absorben. Cuando el curpo es negro, absorbe prácticamente todas las radiaciones y su coeficiente de absorción, α = 1; si el cuerpo es blanco, refleja todas las radiaciones y su coeficiente de reflexión es r = 1. Cuando el cuerpo es completamente transparente, transmite todas las radiaciones y su coeficiente de transmisión, t = 1. La conversión térmica se basa en la absorción del calor y puede ser de tres tipos diferentes: de baja, media y alta Conversión térmica a alta temperatura, se utiliza para la producción de vapor y la obtención de energía eléctrica o para construir hornos solares. Los captadores son parabólicos, concentrando las radiaciones solares en su foco, que es donde se encuentra el horno. Se pueden conseguir temperaturas hasta los 3000º C. El captador parabólico está formado por un espejo de grandes dimensiones, siendo orientados los rayos solares hacia él mediante otros espejos planos guiados por ordenador, denominados heliostatos. Los hornos solares, permiten obtener elevadas temperaturas para el estudio de la materia y la construcción de láseres de alta potencia. Otra aplicación de la conversión a alta temperatura es la obtención de energía eléctrica, utilizando el vapor de agua generado para mover una turbina de vapor, pudiendo llegar a una potencia de 10 MW. Cambiador de calor En España, en la zona de Almería existen tres centrales de este tipo con una potencia total de 2 MW. Conversión térmica de media temperatura. Se utilizan para la producción de vapor de agua para usos industriales o bien para la utilización en las cocinas. Los captadores son cilíndricos parabólicos en donde el foco es una línea conductora de color negro mate para absorber toda la radiación, rodeada de un tubo de vidrio que retiene el calor. Por el interior del tubo negro circula un líquido que puede ser vapor de agua, aceite o freón. Las temperaturas conseguidas pueden ser de 200º a 500º C. Conversión térmica a baja temperatura. Se utiliza para la calefacción de las viviendas, producción de agua caliente sanitaria, destilación del agua, secaderos agrícolas, etc. El aprovechamiento directo de la radiación luminosa se basa en la energía transportada por

3 las ondas electromagnéticas. De acuerdo a la ecuación de Planck, E = h. υ, siendo h la constante de acción de Planck. Los captadores se fabrican con elementos semiconductores, fabricados de Silicio, aunque, en algunos lugares y experimentalmente se están utilizando nanotúbulos de Titanio. Debido a las propiedades de los semiconductores, cuando éstos reciben una radiación luminosa, es descargan una corriente eléctrica. Cada célula de Silicio, dopado de impurezas n-p, produce una tensión de 0,60 V. Para conseguir 24 Voltios, se necesita 40 células conectadas en serie, formando una placa solar. El proceso de fabricación de los captadores fotovoltáico es el siguiente: Las instalaciones fotovoltáicas se utilizan en aquellos casos en que la potencia eléctrica a utilizar, es baja y en las instalaciones que es difícil o imposible instalar una línea convencional eléctrica. Se aplica, por lo tanto, en la iluminación de viviendas pequeñas, en los hospitales, en zonas del tercer mundo. Además se puede utilizar para el bombeo de agua con fines agrícolas; en la señalización eléctrica, en los repetidores de radio, de televisión, etc. En el siguiente esquema, se puede apreciar una instalación fotovoltaica típica. AC Transformador DC DC Captadores Acumuladores Osciladores Utilización directa Red AC-AT

4 3. Ventajas e inconvenientes de la energía solar. La energía solar presenta ciertas ventajas con relación a otros tipos de energías. En primer lugar diremos que es una energía limpia, gratuita e inagotable. Como inconvenientes se pueden describir los siguientes: 1. La gran superficie de terreno que es necesario ocupara para realizar las instalaciones. 2. El carácter errático de la irradiación solar, teniendo más rendimientos en los países de mayor cantidad de horas solares. 3. El coste de las instalaciones es alto y el rendimiento bastante bajo. 4. El proceso de fabricación de los paneles fotovoltáicos es contaminante. 5. Las instalaciones fotovoltáicas, provocan modificaciones medioambientales en el entorno. 4. Energía solar en España. En España por su situación geográfica, por el gran número de horas solares que disfruta a lo largo del año, posee una gran posibilidad de aprovechamiento solar. A parte de la utilización en viviendas particulares, existe en Almería, en la zona de Tabernas una central de experimentación. En Sevilla ( Sanlúcar la Mayor), en el año 2007, se ha inaugurado una central (la PS10)de 11 MW y se va construir una nueva central PS20 con una potencia de 20 MW. Otra central solar está funcionando en Guadix. En Calahorra (Granada) se ha inaugurado la primera central solar térmica de almacenamiento de calor mediante sal En cuanto centrales fotovoltaicas, cabe destacar las instaladas en San Agustín de Guadalix (Madrid), en la Puebla de Montalván (Toledo) y que proporciona una potencia de 1 MW. 5. Concepto de biomasa. La biomasa es el conjunto de materia orgánica renovable de procedencia vegetal o animal, teniendo su origen la energía solar. Debido a la función fotosintética, los vegetales toman del suelo el agua y las sales minerales y del aire, el dióxido de carbono, transformándolos en glúcidos (energía) y oxígeno que lo regenera. Es la base de la vida en los seres vivos. La bioenergía es la energía que produce la biomasa. Puede ser utilizada directamente por los animales, como nutrientes, transformándola de biomasa vegetal en animal. La parte no usada por los animales, es la biomasa residual. La transformación de la biomasa, por lo tanto, puede ser natural, producida por los seres vivos, y la transformación artificial producida por el ser humano. La biomasa puede servir también para la construcción de muebles, elaboración de tejidos, papel, etc. 6. Técnicas para la obtención de la energía. Los procesos o técnicas de obtención de energía serán: a. Procesos térmicos Combustión directa.- Utilización de madera del bosque, residuos de la industria de madera, residuos del bosque. La humedad máxima ha de ser el 15% y el objetivo final es la

5 producción de calor con un rendimiento del 50 %. Pirólisis.- Utilización de los residuos de la industria de la madera, paja, cultivos ricos en almidón(cereales), residuos agrícolas verdes. La humedad máxima ha de ser el 15 %. Se utiliza para obtener: carbón de madera, destilados (alquitrán, metanol), gases ( CO, CO 2, CH 4 ). Gasificación.- Se utilizan residuos orgánicos o restos de maderas y cultivos. Se obtiene una mezcla gaseosa usada como combustible. b. Procesos biológicos. Fermentación.- Se utilizan cultivos ricos en almidón, como son los cereales; también se utiliza el girasol. Por otra parte, se pueden usar los restos de las plantas oleaginosas. Se obtiene bioetanol o biogasoleo. Digestión.- Se utilizan restos orgánicos producidos en las granjas o restos de materia vegetal verde. Se obtiene biogás, utilizada como combustible. Fotoproducción de combustibles.- A partir del agua y algunos compuestos orgánicos para obtener hidrógeno. 7. Procesos Térmicos. Como se ha resumido anteriormente, dentro de los procesos térmicos se pueden destacar: La combustión. Al quemar la biomasa, reduciendo previamente su humedad, secando la leña al sol, con la presencia de oxígeno, desprende calor, usándose para el calentamiento de las viviendas por hogar directo o utilizándola en un circuito de agua caliente, haciendo pasar el agua por la caldera, calentada por la acción de la combustión en el hogar de la biomasa. La reacción de combustión es la siguiente: Celulosa + lignina + minerales + O 2 CO 2 + H 2 O + cenizas + calor. Aunque la madera es un combustible sano y poco contaminante, tiene como inconvenientes la producción de residuos alquitranados, necesita un gran espacio para almacenarla y la aportación del material a la estufa o al hogar ha de ser continua.. La pirólisis. Es la descomposición térmica de las moléculas orgánicas en ausencia de oxígeno. La combustión previa necesaria se realiza por la combustión previa de dicho material. La pirólisis debe de realizarse en un reactor que se alimenta por diferentes tipos de biomasa, controlando la presión, temperatura y tiempo de reacción. En este proceso se generan combustibles gaseosos, líquidos y sólidos. Si la presión y la temperatura son altas, se obtienen hidrocarburos. La gasificación. La gasificación tiene por objeto producir una combustión incompleta, por falta de oxígeno, con la producción de CO, H 2, CH 4 y CO 2. Dependiendo de las diferentes condiciones del proceso, la composición del gas es diferente; Cuando el contenido calorífico es grande, se puede sintetizar directamente el metanol 8. Procesos biológicos. Fermentación. Mediante la fermentación de la biomasa, utilizando ciertas levaduras, se

6 puede obtener bioetanol o biogasoleo. Para la obtención de bioetanol, se utiliza como biomasa, restos de vegetales ricos en almidón y azucares como pueden ser los cereales, las frutas, la remolacha, caña de azucar, etc. Para obtener biogasoleo, se utiliza restos vegetales de la familia de las oleaginosas ( olivos, girasol, etc). En la fermentación se observa la siguiente transformación: anaerobias Restos azúcares + levaduras bioetanol + CO 2 Digestión anaeróbica..la digestión anaeróbica permite la descomposición de la materia orgánica en componentes energéticos ( CH 4, H 2, etc) y fertilizantes NPK. La fermentación es producida por las bacterias anaerobias y es conocida esta fermentación desde hace muchos años con el nombre de gas de los pantanos. Luis Pasteur, descubrió e identifico las bacterias responsables de esta fermentación butírica. En algunos países asiáticos. Utilizan los restos orgánicos de las granjas para cubrir sus necesidades energéticas, para la calefacción, agua caliente sanitaria, combustible de los tractores, luz eléctrica, etc. La producción se realiza en un digestor, que es un recipiente cerrado herméticamente, obteniéndose un gas, que se regula su utilización mediante un gasómetro y un residuo líquido que se purga por la parte inferior del depósito o digestor. Cuando el digestor se calienta mediante una resistencia y se agita, la obtención del gas combustible es continuo, sino será discontinua su producción. 9.La energía geotérmica. La energía geotérmica es la almacenada en el interior de la tierra, siendo su origen el vulcanismo y la radiactividad de las rocas. El calor del interior de la tierra, se transmite por conducción, aunque algunas rocas de poca conductividad térmica, retienen el calor. Para su explotación, se debe estudiar las zonas cuyo gradiente térmico sea elevado, es decir, que haya un aumento de temperatura grande a medida que se desciende en profundidad. Hay dos forma de explotación: Geotérmica de alta temperatura, si se profundiza hasta una capa cuya temperatura sea superior a 150º C. Se utiliza para obtener electricidad, inyectando agua líquida a presión, por una tubería en forma de U; cuando asciende, el agua se ha transformado en vapor que se le hace incidir sobre una turbina de vapor y acoplada al rotor de esta turbina, se encuentra el eje del primario del alternador. En el generador, se obtiene corriente alterna. Al pasar por el condensador, el agua líquida resultante, se vuelve a inyectar a la tubería descendente. Geotérmica de baja temperatura, si la temperatura es inferior a 150ºC se utiliza para la calefacción de las viviendas y de las industrias. Es una energía limpia, no contaminante e inagotable. Tiene el inconveniente en que las zonas donde se pueden utilizar, existen gran inestabilidad geológica. En España se utiliza para obtener agua caliente en Balnearios. 10. La energía del agua del mar. El agua del mar recibe energía por radiación directa de los rayos del sol o por la acción de los campos gravitatorios, produciéndose energías potenciales, debidas al desnivel producida entre la pleamar o la bajamar. Utilizando la energía potencial, se construyen centrales mareomotrices, para la obtención de corriente eléctrica; su funcionamiento es similar a una central hidroeléctrica.

7 De las olas, se aprovecha sus energías cinéticas, aunque su rendimiento es bajo. 11. Los residuos sólidos urbanos. Son aquellas sustancias sólidas consideradas como inservibles y que se producen como consecuencia de la actividad humana en las zonas urbanas. Se les someten a los siguientes procesos: Vertido.- Es el almacenamiento de los residuos, en el terreno, cubriéndolos cada cierto tiempo, para evitar su contaminación. El vertido puede ser controlado o incontrolado. El incontrolado es altamente perjudicial por su contaminación química y visual. Compostaje.- Es la fermentación de los residuos, para usarlos posteriormente como abonos, o para la obtención de biogás. Incineración.- Al quemarse los restos orgánicos, producen energía calorífica, que se utiliza para la calefacción o para la transformación energética. Reciclado.- Es la reutilización de la materia prima de parte de los residuos, clasificados previamente.