Energía solar térmica y fotovoltaica

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1 Energía solar térmica y fotovoltaica Mario García Galludo DESCRIPTORES ENERGÍA SOLAR RADIACIÓN SOLAR FOTÓN COLECTOR SOLAR EFECTO FOTOVOLTAICO MÓDULO FOTOVOLTAICO Como es sabido, existen dos tipos de energías, que se pueden clasificar en energías no renovables y energías renovables; estas últimas tienen como origen el sol. Un ejemplo típico que diferencia las energías renovables de las que no lo son, es el siguiente: un litro de gasolina que se quema en un motor de explosión proporciona la energía necesaria para que dicha máquina funcione. Cuando se ha quemado desaparece y la nueva formación de ese litro de gasolina es difícil. Un metro cúbico de agua que se encuentra en una central hidráulica cae sobre la turbina produciendo energía mecánica que se transforma en energía eléctrica; en las próximas lluvias el metro cúbico ocupa otra vez su antigua posición en el vaso de la central hidráulica: se ha renovado. Las energías renovables son: la hidráulica, la biomasa, los residuos sólidos urbanos, la energía solar tanto térmica como fotovoltaica, la energía eólica e incluso se pueden incluir las energías marinas y la energía geotérmica. En este artículo nos referimos a la energía solar térmica y fotovoltaica. Energía solar Antes de nada, es importante señalar que la energía procedente del sol que llega a la Tierra es muy grande y muy superior al gasto energético mundial y a las reservas de las energías no renovables, pero por otra parte se puede utilizar un porcentaje muy pequeño debido a la poca exergía (energía utilizable) que tiene este tipo de energía. El sol es una esfera gaseosa de km de radio que gira sobre un eje y que tiene una temperatura de 8 a K en su núcleo. El sol se comporta como un reactor nuclear, de forma que quema masa y la convierte en energía de acuerdo a: E = m c 2. La energía se produce en su interior y se transfiere a la superficie en sucesivas etapas de radiación, conversión, emisiones y absorciones. El sol, para muchos de los estudios de energía solar térmica, puede considerarse como un cuerpo negro que emite energía a K. La radiación solar es casi fija en el exterior de la atmósfera terrestre. Esta constante es la llamada Constante Solar y vale: I = W/m 2 = 1,94 Cal/cm 2 min = kj/m 2 h. La constante solar se define como la energía del sol, por unidad de tiempo, recibida sobre la unidad de área de una superficie perpendicular a la radiación extraterrestre. La descomposición de esta radiación origina el espectro solar, formado por la radiación ultravioleta, la visible y la infrarroja (Cuadro 1). Toda la energía expresada por la constante solar no llega a la superficie de la Tierra. Al atravesar la radiación solar la atmósfera, pierde intensidad a la vez que se modifica su distribución espectral. Todo ello es debido a la absorción, difusión y reflexión que tienen lugar en las capas de la atmósfera por acción de los gases que la constituyen, el vapor de agua y las partículas en suspensión (Fig.1). El nitrógeno y el oxígeno del aire absorben las radiaciones de onda corta, el ozono absorbe la mayor parte de la radiación ultravioleta, y el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben una fracción de la radiación infrarroja. La disminución de la intensidad energética depende también del espesor de la capa de aire, de la situación geográfica del lugar, de la época del año, etc. Por tanto, la energía que recibe la Tierra del sol, o la radiación global se divide en: Radiación directa, que es la que atraviesa la atmósfera sin sufrir cambio alguno de dirección. Radiación dispersa o difusa, que es la recibida después de los fenómenos de reflexión y difusión por la atmósfera. Las medidas de radiación solar se refieren en la mayoría de los casos a la radiación total y se realizan con piranómetros. CUADRO 1 Tipo de radiación λ W/m 2 Ultravioleta λ < 0,38 mm 95 Visible 0,38< λ < 0,78 mm 640 Infrarroja λ > 0,78 mm

2 Fig. 1. Distribución espectral de la radiación solar extraterrestre y terrestre. Los piroheliómetros miden la radiación directa y los heliógrafos miden la duración de la insolación (horas reales de sol). Otro concepto importante es el de masa de aire AM, que es la distancia recorrida por la radiación a través de la atmósfera. A nivel del mar con el sol en su cenit AM = 1 ( Fig. 2). Como se puede apreciar en la figura 3, la Tierra la podemos suponer en el centro de una esfera. Un observador en la Tierra define una recta que corta a la esfera en el cenit y en el nadir. A su vez los polos de la Tierra definen una recta PP'. En la esfera se definen dos tipos de coordenadas, que son las coordenadas horarias, definidas por el ángulo horario H y la declinación δ, y las coordenadas horizontales, definidas por el azimut (Az) y la altura (h); es decir: Coordenadas horarias: (H, δ). Coordenadas horizontales: (Az, h). Una estrella, el cenit y el polo P definen un triángulo esférico (Fig. 4) en el que se cumplen las conocidas relaciones de trigonometría esférica: sen A sen a = sen B sen b = sen C sen c cos a = cos b cos c + sen b sen c cos A cos A = - cos B cos C + sen B sen C cos a sen h = sen δ sen ϕ + cos δ cos ϕ cos H sen a (azimut) = cos δ sen H/cos h En España, existe una publicación del Ministerio de Industria y Energía con el título «Radiación solar sobre superficies inclinadas» donde se puede encontrar la radiación solar en las distintas provincias según las diferentes pendientes de planos orientados al sur. En estas tablas se puede apreciar que para un plano inclinado 30 (mirando al sur) la radiación total al año en Málaga es de kj/m 2 (Fig. 5 ). Esta radiación está distribuida en los 12 meses del año de acuerdo con lo indicado en la fila correspondiente de la tabla nº 1 de dicha publicación. Captación solar Una vez analizada la radiación solar de la que se dispone tenemos que inventar aparatos que sean capaces de utilizar esta energía térmica para nuestro uso. Estos aparatos se suelen llamar colectores solares. Según el rango térmico de la utilización de la energía solar, ésta se clasifica en: de Baja, Media o Alta temperatura; los rangos térmicos pueden ser < 100 C; entre 100 C y 250 C; y más de 250 C, respectivamente. Actualmente sólo pueden ser rentables las instalaciones de baja temperatura. Para este rango de temperatura se suele utilizar colectores solares planos, los cuales transmiten la energía radiante procedente del sol a un fluido (suele ser agua o aire). La energía radiante es variable, siendo como mucho 1 kw/m 2, y con una gama de longitudes de onda comprendida entre 0,3 y 3 μm. Un colector plano solar consta de los siguientes elementos: Una superficie captadora de la radiación solar. Un circuito por donde circula el fluido capaz de transferir el calor captado por la superficie captadora. Una cubierta trasparente. Un aislante térmico. Una caja protectora capaz de acoplar el conjunto al resto de la instalación (Fig.6). Al mediodía H = 0, con lo que se obtiene: sen h = cos(ϕ - δ), y la altura máxima se obtiene para h = π/2 + δ - ϕ. El sol no tiene una declinación constante, puesto que sobre la esfera celeste describe una curva llamada eclíptica y su declinación varía en ± 23 27'. Los días más largos corresponden a los solsticios de verano y el más corto al de invierno. La declinación del sol varía y se puede calcular aproximadamente con la fórmula: δ = 23,45 sen (n + 284), Fig. 2. Masa del aire. Fig. 3. Esfera celeste. donde n es el día en forma secuencial. El ángulo horario H se mide a partir del mediodía y viene dado por: b C a H= ± 1 4 (nº de minutos a partir del mediodía). A c Fig. 4. Triángulo esférico. B Fig. 5. Radiación sobre un plano inclinado. Fig. 6. Colector plano O.P. N. o

3 La placa captadora o superficie absorbente es el elemento principal de un panel solar, ya que su misión es recoger la radiación solar y transmitir el calor que ésta transporta. Está constituida normalmente por un material metálico de color negro (también se pueden utilizar materiales plásticos para temperaturas < 50 C). La placa se calienta, por la acción del sol, elevando su temperatura hasta que exista un equilibrio entre la energía captada y la cedida por conducción, convección y radiación. La orientación de la placa colectora ha de ser hacia el sur, con una inclinación igual a la latitud del lugar. De esta forma se captan los rayos solares de forma perpendicular gran parte de los días, lo que aumenta el rendimiento del colector. No obstante, se debe consultar con las tablas de radiación solar. Los objetivos que debe cumplir una placa captadora son: absorber la máxima radiación solar convirtiéndola en energía térmica con el mayor rendimiento posible, y transferir la mayor cantidad de calor posible al fluido portador. La superficie de absorción puede ser selectiva, es decir, con un α de absorción próximo a la unidad para la radiación solar y una emitancia ε pequeña para las emisiones de radiación térmica de la placa, (α 0,9 y ε 0,1). El fluido circula por tubos de muy distinta constitución según el fabricante de colectores y este fluido puede ser aire o agua. Lo más normal es utilizar agua con anticongelante para evitar la formación de hielo en los meses fríos, formación que puede romper el propio colector solar. En el caso de utilizar aire, éste circula para absorber calorías de aletas que tiene el colector. Para igual potencia energética los colectores de aire deben ser más grandes. Existen colectores planos de gran calidad que tienen tubos de vacío, en los que el intercambio de calor se realiza con un cambio de fase utilizando isobutano. El colector debe estar inmerso en una caja que debe tener un aislamiento térmico adecuado, con el fin de no perder calorías. El balance energético de un colector solar lo podemos realizar aplicando el primer principio de la termodinámica. I Energía solar directa más difusa por m 2. A Área del colector en m 2. Q 1 Calor útil que se lleva al fluido. Q 2 Pérdidas energéticas. Calor almacenado por el colector. Q 3 A I = Q 1 + Q 2 + Q 3 El rendimiento del colector será: η = Q 1 Al El comportamiento de un colector en régimen estacionario viene dado por el rendimiento, el coeficiente global de pérdidas y la pérdida de carga (Fig.7). La energía útil extraída del colector por unidad de área viene dada por: Q 1 A = mc p (t s - t e ) = Iτα - U L (t p - t a ) Siendo: I la insolación, A el área del colector, c p el calor específico del fluido, m el gasto másico, α la absortancia, τ la transmitancia, t p las temperatura de la placa, t e, t s las temperaturas de entrada y salida del fluido y U L el coeficiente de pérdidas del colector. El rendimiento se suele expresar por una recta de ecuación: η = a - b (t m - t a ) Al no ser U L constante, muchas veces se expresa el rendimiento como una parábola: η = a - b ( t m - t a I Un procedimiento práctico de cálculo de un rendimiento será: η = I ) - c ( t - t 2 m a) donde se calcula el calor extraído por el fluido y la radiación que llega al colector, todo ello en un intervalo de tiempo θ 1, θ 2. El rendimiento se puede representar por una recta: T m = 1 2 θ 2(te mc p - t s ) dθ θ 1 θ 2 A I dθ θ 1 siendo T a la temperatura ambiente (Fig.8). η = 0,8-8 I η = 0,6-4 I (t e + t s ),, También puede venir dado el rendimiento con la curva, como puede apreciarse en la figura 9. Al realizar una instalación de energía solar térmica los colectores pueden colocarse en serie, en paralelo o en serie-paralelo, según se indica en la figura 10. Las instalaciones en que la conexión es en serie tienen como inconvenientes el bajo caudal y la pérdida de carga, y como ventajas la alta temperatura del último colector. La conexión en paralelo tiene una menor pérdida de carga y puede tener más caudal pero tiene menor temperatura Fig. 7. Balance del colector solar. I (T m - T a ) captación vidrio simple. (T m - T a ) captación vidrio doble. Fig. 8. Rendimiento de un colector. -80-

4 Fig. 9. Rendimiento de un colector plano. de trabajo. Lo práctico, es realizar la conexión en serie-paralelo. Se debe proyectar un almacenamiento de agua caliente que permita utilizar la instalación en los momentos en que no existe radiación solar. El tamaño del acumulador depende de diversos factores, pero se puede indicar que debe ser de 50 a 65 litros por cada metro cuadrado de colector. El material y el aislamiento del depósito deben ser dos cuestiones básicas a tener en cuenta, y donde compiten proceso y duración del sistema. En la instalación total debe haber vasos de expansión, termostatos, presostatos, intercambiadores de calor, etc. En la figura 11 se puede apreciar el esquema de una instalación en la que existe un termostato diferencial que pone en marcha o para la bomba del circuito de colectores según la situación térmica de los mismos o del acumulador. Las temperaturas T 1 y T 3 del acumulador y la temperatura T 2 de los colectores informan al termostato diferencial y hacen funcionar o paran la bomba de agua, según la situación térmica. La principal aplicación de la energía solar térmica en España es la producción de A.C.S. (agua caliente sanitaria). En el año 1998 estaban funcionando unos m 2 de colectores planos. La evolución es del orden de m 2 por año. Existen muchas empresas españolas que fabrican e instalan colectores planos. Es, al menos, sorprendente que Alemania tenga más potencia de energía solar térmica instalada que España. El autor de este artículo, que hace 25 años tenía una empresa que se dedicaba a energías renovables y proyectó varias instalaciones de este tipo, considera que nunca la Administración ha realizado un esfuerzo con conocimiento de causa en esta rama energética, y estima que calentar agua en verano en muchos hoteles, apartamentos, etc. de la costa usando un derivado del petróleo es un atentado hacia las generaciones venideras, al utilizar un recurso cada vez más caro y escaso. Fig. 10. Conexión de colectores. a) Conexión en serie. b) Conexión en paralelo. Fig. 11. Esquema de instalación de colectores. Energía solar fotovoltaica La tecnología de conversión fotovoltaica, para el aprovechamiento de la energía solar, consiste en la transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica. Los dispositivos convertidores son las células fotovoltaicas, construidas con un material semiconductor (silicio, sulfuro de cadmio, arseniuro de galio, etc.), en el que se genera electricidad al incidir sobre él los fotones de la radiación luminosa. Un material semiconductor es aquel en el que sus electrones de valencia están ligados a los átomos con energías similares a la de los fotones que transportan la luz solar. El efecto fotovoltaico puede ser definido como la generación de un potencial cuando la radiación luminosa ioniza la región interior o próxima de la barrera potencial interna de un semiconductor. Para captar dicha energía luminosa se utiliza la célula solar, que consiste en una delgada oblea de un material semiconductor, fabricado a partir de diferentes materiales y tecnologías y cuya principal propiedad consiste en absorber una fracción de los fotones de la luz incidente, transmitiendo éstos a su vez su energía a los electrones de valencia del semiconductor para que rompan el enlace que les mantiene ligados a los átomos respectivos, convirtiéndose de este modo en electrones libres de la banda de conducción. Por cada enlace roto queda un electrón libre para circular dentro del semiconductor. La falta de electrón en el enlace roto se llama hueco y también puede desplazarse libremente por el interior del semiconductor. Por tanto, el movimiento de electrones implica un movimiento contrario de huecos, comportándose éstos, en muchos aspectos, como partículas positivas con carga igual a la del electrón. El movimiento de los electrones y huecos en sentidos opuestos crea una corriente eléctrica en el semiconductor que podrá circular por un circuito externo, liberándose así, en una eventual carga incluida en dicho circuito, la energía liberada -81- O.P. N. o

5 por los fotones al crear los pares electrón-hueco. Para separar los electrones de los huecos e impedir que se restablezca el enlace se utiliza un campo eléctrico que, en la mayoría de las células solares, se consigue dopando cada una de las caras del semiconductor con diferentes impurezas. En el caso de que el material semiconductor sea silicio (el más utilizado en células solares), una de las caras o zona se impurifica con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia (uno más que el silicio), constituyendo una zona con una concentración de electrones mayor que de huecos y llamada tipo n. La otra zona se impurifica con boro, que tiene tres electrones de valencia (uno menos que el silicio), constituyendo una zona con mayor concentración de huecos que de electrones, tipo p. Una célula de silicio está constituida por un disco de silicio de espesor 0,3 mm aproximadamente, dopado de boro y fósforo. Sobre dicho disco se coloca una rejilla metálica. Los contactos se realizan a través de una estructura de peine a la que se le ha añadido una capa antirreflectante para minimizar las pérdidas por reflexión y aumentar el porcentaje de energía solar absorbida por la célula. El rendimiento de una célula solar se define como el cociente entre la máxima potencia eléctrica entregada por la célula y la potencia luminosa incidente en ella; el rendimiento típico de una célula es del orden del 12 %. En condiciones de radiación solar de 1 kw/m 2, una célula solar en condiciones óptimas de trabajo proporciona una potencia de 14 mw/cm 2 (28 ma/cm 2 a una tensión de 0,5 V), lo que supone un rendimiento del 14 %. Si varía la iluminación la corriente de la célula varía proporcionalmente, en tanto que la tensión se mantiene casi invariable. Estos niveles de tensión son inutilizables para la mayor parte de aplicaciones, pero si se desea obtener mayor tensión basta conectar un cierto número de células en serie. De esta forma, conectando 36 células se obtienen 18 V, tensión suficiente para hacer funcionar equipos a 12 V, incluso con iluminaciones mucho menores de 1 kw/m 2. Existen multitud de células solares en el mercado mundial; cada fabricante tiene sus diversas formas de encapsularlas. Se denomina módulo fotovoltaico a la asociación en serie y/o paralelo de un determinado número de células solares. Cuando se conectan varios módulos en serie y/o en paralelo, de modo que puede conseguirse casi cualquier valor de tensión y de corriente, dan lugar a un panel fotovoltaico. El sistema fotovoltaico está constituido por los siguientes subsistemas: subsistema generador, subsistema de almacenamiento y subsistema de acondicionamiento de potencia. El subsistema generador está constituido por los paneles solares para la generación de energía. Han de instalarse sobre estructuras con la debida orientación e inclinación para maximizar la producción. El subsistema de almacenamiento consiste en un acumulador (batería) conectado en paralelo al panel, para disponer de energía eléctrica almacenada y utilizarla en los momentos de nula o baja radiación solar. Entre el panel y el acumulador es necesario entonces insertar un diodo en serie, de manera que permita la salida de corriente del panel, pero que impida que el acumulador se Figs. 12 y 13. Instalación fotovoltaica para dar energía a un aforador del transvase Tajo-Segura. La instalación consta de un generador compuesto por 24 paneles fotovoltaicos, tres reguladores de carga y un grupo de baterías. Con ello se dota de la energía necesaria al aforador. descargue a través del panel en ausencia o deficiencia de luz. Según el acumulador va alcanzando su máxima carga, la corriente que admite es menor, por lo que el panel tiende a aumentar su tensión de salida. Como la tensión del acumulador no debe superar su valor máximo de carga, hay que introducir un regulador de tensión que limite la tensión máxima del panel y evitar dañar la batería. El subsistema de acondicionamiento de potencia está constituido por todos los dispositivos que hacen que los dis- -82-

6 Figs. 14 y 15. Abastecimiento energético a un pueblo aislado de la provincia de Huesca en una combinación de energías eólica-fotovoltaica. Izquierda, paneles fotovoltaicos situados a la entrada de la iglesia del pueblo. Derecha, baterías, reguladores y convertidor. tintos componentes del sistema sean compatibles. Para proyectar una instalación fotovoltaica vamos a dar las siguientes pautas: Se calcula las horas equivalentes de sol, también llamadas horas de sol pico, definidas como el número de horas que con una radiación solar de W/m 2 proporcionan igual energía que la energía total recibida ese día para la radiación óptima. Se calcula tomando de las Tablas de Radiación la radiación en KJ y multiplicando por 2, Se calcula el consumo necesario de la instalación en Ah/día suponiendo un voltaje de 12 V o de 24 V. Se utilizan paneles fotovoltaicos que proporcionan 2 A o 2,2 A (según los tipos) para una radiación de W/m 2. Se acoplan los paneles en serie o paralelo, según los casos. Se prevén las baterías para cubrir los días de autonomía Capacidad = consumo días de autonomía profundidad de descarga con una capacidad de: Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica, en un principio, podrían ser de todo tipo, ya que la producción de electricidad por medio de estas células no tiene ningún problema técnico y la duración de la célula es muy prolongada. El único problema es el económico y el espacio. Es muy interesante el realizar instalaciones solares fotovoltaicas en lugares de difícil acceso, aislados y de poco gasto energético. La energía fotovoltaica es aplicable a los siguientes fines: a. Alumbrado rural Señalización y balizamiento. Semáforos y barreras de seguridad. Bombas de agua. Producción de energía mecánica en poca cantidad. b. En ferrocarriles se puede utilizar con rentabilidad en: Señales luminosas. Circuito de vías. Balizas. Motores de desvío. Teléfonos. Radioteléfonos. c. En aeropuertos e instalaciones anejas, puede ser rentable en: Radiofaros. Radiobalizas. Telecontrol microondas. Balizamiento. d. En telecomunicación se han realizado instalaciones en: Alimentación de repetidores de microondas. Repetidores amplificadores en los cables coaxiales. Repetidores de VHF y UHF. Centrales eléctricas rurales. Radioteléfonos. Teléfonos de emergencias. Emisoras. e. En información se han utilizado en: Repetidores de radiodifusión. Repetidores de televisión. Radios y televisiones colectivas. Con carácter general, en cualquier instalación de pequeño consumo cuya energía no esté suministrada por un tendido eléctrico ya existente, es rentable el suministro por energía solar de origen fotovoltaico. Las características básicas de estas instalaciones son: Crean fiabilidad. Reducido mantenimiento. Larga duración. El autor de este artículo incluye en el mismo fotografías de dos instalaciones realizadas por el mismo. La primera es una instalación fotovoltaica para dar energía a un aforador del transvase Tajo-Segura (Figs. 12 y 13). La segunda es parte de un abastecimiento energético a un pueblo aislado de la provincia de Huesca en una combinación de energías eólica-fotovoltaica (Figs. 14 y 15). Para finalizar, mencionar que actualmente se están realizando centrales fotovoltaicas conectadas a la red, como la Planta Fotovoltaica de Toledo PV de 1 MW de potencia O.P. N. o