LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Transcripción

1 LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Los sistemas de aprovechamiento de energía solar térmica se basan en aprovechar el calor de la radiación solar. Se pueden clasificar en tres grupos: - de baja temperatura - de media temperatura - de alta temperatura El elemento básico en todos los casos es el colector, que se encarga de captar la radiación solar. Un colector consiste básicamente en una lámina de material absorbente en contacto con un conjunto de tuberías por las que circula un fluido. Al exponerse al Sol la lámina se calienta y transmite el calor al fluido. a) SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO DE BAJA TEMPERATURA Se basan en la utilización de colectores planos. Un colector plano se compone de los siguientes elementos: Cubierta protectora: es una lámina transparente construida de vidrio o plástico que permite la entrada de la radiación solar pero no la salida de la radiaciín infrarroja, creando así un efecto invernadero. Caja metálica: es la parte del colector encarga de absorber la radiación solar. Suele construirse de materiales metálicos como el cobre o el aluminio, cuya superficie es tratada con pinturas especiales para aumentar su capacidad de absorción. Tuberías: por las que circula el agua Aislamiento térmico: se coloca en toda al superficie de la carcasa para evitar pérdidas de calor con el exterior. El colector se coloca sobre una estructura con la orientación e inclinación adecuadas para que el rendimiento sea el máximo posible. Por ejemplo, en el hemisferio norte los colectores se orientan hacia el sur y la inclinación depende de la latitud del lugar y de la época del año, buscando siempre que los rayos solares incidan lo más perpendicularmente posible sobre el colector. La radiación solar recogida por el metal se transmite al agua que circula por las tuberías situadas dentro del colector, de forma que entra agua fría y sale agua caliente de hasta 80ºC. El agua caliente puede utilizarse para uso doméstico y para calefacción. En una situación ideal, sin pérdidas, toda la radiación incidente sobre el colector puede ser utilizada íntegramente para calentar el agua: Donde m es la masa de agua calentada m c e ΔT = K S t c e es el calor específico del agua (1 cal/(gºc)) ΔT el incremento de la temperatura del agua K es el coeficiente de radiación solar, es decir, la energía por unidad de superficie que llega al colector por unidad de tiempo. Se suele medir en cal/(cm 2 min) S es la superficie del colector.

2 t es el tiempo. El desfase entre las horas de recepción de energía solar y la demanda hace necesaria la utilización de sistemas de almacenamiento del agua caliente. b) SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO DE MEDIA TEMPERATURA Este tipo de sistemas utiliza otro tipo de colectores con el fin de concentrar la radiación solar para alcanzar temperaturas más altas. Los más utilizados son los colectores parabólicos. Están formados por espejos con forma de parábola de forma que reflejan la radiación que incide sobre ellos y la concentran en el foco de la parábola. En éste se dispone la tubería por la que circula el fluido a calentar, que en estos casos suelen ser aceites. Las superficies reflectantes se fabrican con vidrio plateado o metales reflectantes como el aluminio. Como la concentración se consigue al reflejar la radiación que llega directamente del Sol es imprescindible que los colectores dispongan de mecanismos de seguimiento para seguir en todo momento la posición del Sol. Este tipo de instalaciones pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100ºC y se utilizan en sistemas de calefacción de edificios, plantas desalinizadoras, secaderos y otras aplicaciones industriales. c) SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO DE ALTA TEMPERATURA La energía solar de alta temperatura se utiliza para producir vapor con el fin de generar electricidad. Para ello es necesario una enorme concentración de la radiación solar, lo que se consigue en las llamadas centrales solares térmicas, cuyo funcionamiento es similar al de las centrales térmicas convencionales. Para concentrar la radiación solar se dispone un gran número de espejos parabólicos, llamados heliostatos, dispuestos de tal forma que concentran la radiación en un solo punto, en el que se dispone la caldera. Los heliostatos deben orientarse de forma automática y sincronizada a media que el Sol va cambiando de posición con el fin de obtener el máximo rendimiento. Con el objeto de poder generar energía de noche, o en momentos en los que la radiación solar no sea suficientemente alta como para generar electricidad, parte de la energía solar concentrada se emplea no para calentar agua, sino unas sales minerales. Estas sales tienen la propiedad de devolver progresivamente el calor que han acumulado al ser iluminadas. Este calor puede aprovecharse para producir energía eléctrica.

3 Diagrama de transformaciones energéticas: solar térmica térmica del vapor cinética de de la turbina eléctrica del alternador LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA EL aprovechamiento de este tipo de energía se basa en la aplicación del efecto fotovoltatico. Este efecto se produce cuando la luz (radiación electromagnética) procedente del Sol incide en un material semiconductor. La luz está constituida por unas partículas llamadas fotones que interaccionan con los electrones del semiconductor cuando inciden sobre éste; los fotones transfieren parte de su energía a los electrones y algunos consiguen liberarse de su unión con sus núcleos atómicos. De esta forma aparecen en el semiconductor electrones libres que dan lugar a una corriente eléctrica. El efecto fotovoltaico es producido principalmente por la franja del espectro electromagnético correspondiente a la luz visible ( nm de longitud de onda) comprendida entre el infrarrojo y el ultravioleta. Por tanto, gracias al efecto fotovoltaico la energía luminosa del Sol se transforma directamente en energía eléctrica.

4 Los elementos que captan la radiación electromagnética procedente del Sol y generan energía eléctrica son las células fotovoltaicas. Una célula solar consta de dos capas de material semiconductor, uno tipo N y otro tipo P, que forman una unión PN. La parte superior e inferior se recubren de una placa metálica que actúan como contactos y permiten el paso de la corriente al circuito externo. La parte superior se encuentra dividida en franjas para permitir el paso de la radiación solar hacia el material semiconductor. El rendimiento de las células solares no es muy alto aunque ha mejorado en los últimos años gracias al desarrollo de nuevos materiales semiconductores (GaAs, InP, etc.); en la actualidad pueden alcanzar rendimientos del 15-25%. La tensión proporcionada por cada célula es pequeña (del orden de 0,3-0,7V). Por ello se agrupan varias células formando módulos fotovoltaicos que constituyen el elemento principal de todo el sistema de aprovechamiento de este tipo de energía. Todas las células del módulo se conectan en serie entre sí de forma que se sumen los voltajes proporcionados por cada una de ellas. Por tanto el voltaje total que puede proporcionar un módulo fotovoltaico depende de su tamaño, es decir, del número de células solares que contenga. La eficiencia de un módulo fotovoltaico depende de varios factores entre los que destaca el ángulo de incidencia de la radiación solar y la temperatura. Para conseguir un mayor rendimiento la radiación solar debe incidir perpendicularmente a las células. INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS Una instalación fotovoltaica es un conjunto de sistemas capaces de satisfacer determinadas necesidades eléctricas a partir de energía luminosa del Sol. Se compone de lo siguientes elementos: Sistemas de captación: son los módulos fotovoltaicos encargados de transformar la radiación solar en energía eléctrica. Estos módulos se sustentan sobre estructuras metálicas que unen los módulos entre sí y les proporcionan la orientación e inclinación adecuadas. Estas estructuras suelen fabricarse de aluminio o acero y pueden ser de dos tipos: fijas, en las que el ángulo de inclinación no varía a lo largo del año, o móviles; en este segundo tipo de estructuras el movimiento puede es ser manual o mecánico. En los manuales se cambia el ángulo de inclinación en función de la época del año. En las estructuras automáticas el movimiento de realiza mediante sistemas de seguimiento que mueven los paneles sobre un eje siguiendo el movimiento del Sol a lo largo del día. Sistemas de almacenamiento: almacenan la energía producida para satisfacer la demanda en momentos en los que la producción se paraliza, por ejemplo, durante la noche. Para ello se utilizan acumuladores eléctricos. Sistemas de regulación: regulan el paso de la corriente eléctrica entre los módulos fotovoltaicos y los acumuladores. Sistemas de adaptación de corriente: la corriente que generan los módulos fotovoltaicos es corriente continua; pero la mayoría de los aparatos eléctricos funciona con corriente alterna. Por ello es necesario adaptar la corriente generada a las condiciones de demanda. Para ello se utilizan convertidores que ajustan el voltaje e inversores que la transforman en corriente alterna. Sistemas eléctricos complementarios: son todos los elementos eléctricos necesarios para el correcto funcionamiento de la instalación, tales como interruptores, tomas de tierra, cableado, etc.

5 APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA La energía solar fotovoltaica tiene numerosas aplicaciones entre las cuales destacan las siguientes: - Alimentación de equipos independientes: los sistemas de generación fotovoltaica se utilizan para alimentar equipos en los que los costes de conexión a la red son mayores o se requieren sistemas independientes a salvo de posibles cortes de suministro: señalización aérea, terrestre y marítima (faros, boyas), sistemas de alumbrado público, repetidores de TV, alimentación eléctrica de albergues de montaña, sistemas de bombeo de agua, etc. - Electrificación de viviendas: son sistemas diseñados para satisfacer las necesidades eléctricas básicas de una vivienda - Elementos de consumo como calculadoras, relojes, etc. - Vehículos espaciales como los satélites artificiales, las sondas espaciales o la estación espacial. - Centrales eléctricas, formadas por grandes campos de módulos fotovoltaicos y están destinadas a producir electricidad que se transmite a la red eléctrica.diagrama de transformaciones energéticas: solar luminosa eléctrica en la célula solar

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