ENERGÍA SOLAR TECNOLOGÍA INDUSRIAL I

Transcripción

1 ENERGÍA SOLAR TECNOLOGÍA INDUSRIAL I

2 ENERGÍA RECIBIDA DEL SOL (FILTRADO DE RADIACIÓN SOLAR) Rayos gamma Rayos UV Luz visible Rayos infrarrojos Reflexión Absorción de la capa de ozono y otros Atmósfera 14w/m 2 54w/m 2 662w/m 2 637w/m w/m 2 1w/m 2 16w/m 2 390w/m 2 593w/m 2 SUPERFICIE TERRESTRE Total máximo: 1000 w/m 2 Media: 627 w/m 2

3 DENSIDAD DE RADIACIÓN SOLAR La densidad de radiación es la potencia (w) por unidad de superficie (m 2 ). δ = P/S Se calcula que de una densidad de radiación de 1367 w/m 2 que penetra en la atmósfera, solamente llega a latierra 1000 w/m 2. La energía solar que llega a cada punto de la tierra no es igual y depende de: -Zona geográfica. -Altitud. -Época del año. -La hora del día. -La nitidez atmosférica. La energía solar tiene dos campos de aplicación. Conversión en energía térmica (energía solar en energía calorífica). Rendimiento de la energía solar fototérmica el 40%. Conversión fotovoltaica (energía solar directamente en energía eléctrica). Rendimiento de esté tipo de energía el %.

4 INTENSIDAD DE RADIACIÓN SOLAR La intensidad de radiación media medida fuera de la atmósfera es K = 1367 w/m 2 a este valor se le denomina coeficiente de radiación solar (externo), pero la intensidad de radiación solar que realmente llega a la superficie terrestre se reduce considerablemente debido a varios factores (descritos anteriormente). El coeficiente de radiación solar o constate solar, puede oscilar de 0 a un máximo de K = 1000 w/m 2 Tomaremos un valor medio (durante todo el año) de K = 627 w/m 2 Q = cantidad de calor en W h. K = coeficiente de radiación solar (w/m 2 ). t = tiempo en horas. S = sección o área en m 2 Q = K t S

5 CONVERSIÓN EN ENERGÍA CALORÍFICA ENERGÍA TÉRMICA.Tipos: A)Todo cuerpo expuesto al sol absorbe parte de los rayos solares que inciden en él. El sistema más utilizado es el de colector o captador, que es un dispositivo capaz de absorber la radiación solar y transmitirla a un fluido calentándolo de forma que aumente considerablemente su temperatura. Para transformar lo más eficaz posible este tipo de energía es necesario tener siempre en cuenta cuatro parámetros: 1º.- El color que sea negro y mate (devuelve solamente el 10% de la energía que recibe y absorbe mejor la radiación solar). 2º.- Aislamiento térmico inferior y lateral adecuado. 3º.- Con una cubierta transparente para que se produzca el efecto invernadero, dejando pasar la onda corta (radiación solar) y no dejando salir la onda larga (energía térmica). 4º.- Mediante concentración de la radiación solar (parabólicos). Los colectores pueden ser planos o de concentración.

6 CONVERSIÓN EN ENERGÍA CALORÍFICA PLANOS (bajas temperaturas).- Consiste en una caja metálica en cuyo interior hay una lámina metálica, pintada de color negro mate, capaz de absorber con facilidad las radiaciones solares. Sobre esta lámina se apoyan las canalizaciones (tubos negro) por cuyo interior circula el agua a la que le transmite el calor. El funcionamiento se basa en el conocido como efecto invernadero: el cristal permite el paso de radiaciones solares pero impide que la radiación emitida en el rebote (rayos infrarrojos) por la placa caliente escape fuera.

7 CONVERSIÓN EN ENERGÍA CALORÍFICA TIPOS DE COLECTORES PLANOS.- Según la forma y los materiales de los colectores determinan las temperaturas a las que pueden llegar el fluido en su interior. a) Hasta temperaturas de 35 ºC. Es el más sencillo. Sin aislantes, en contacto con el exterior. Calefacción invernaderos, duchas al aire libre, secaderos, etc. b) Hasta temperaturas de 60 ºC. Cristal exterior, el interior aislado (fibra de vidrio o poliuretano. Interior y tuberías pintadas de negro mate. Agua caliente sanitaria, calefacción de viviendas, etc. c) Hasta temperaturas de 120 ºC. Colector con aislamiento al vacio. Laterales y base con aislamiento. Pintado interior y tuberías en negro mate. Precintado. Para usos industriales en el calentamiento de agua a gran temperatura. Los más usuales son aquellos que alcanzan 60 ºC. Los rendimientos de este tipo viene a ser el 40% para los fabricados de forma casera y el 50% los que se venden en los comercios.

8 APROVECHAMIENTO ENERGÍA TÉRMICA EN SISTEMA DIRECTO Colector Entrada de agua fría Sensor Resistencia Termostato Vaso de expansión Acumulador Salida de agua caliente Electrobomba CIRCUITO DE SISTEMA DIRECTO

9 APROVECHAMIENTO ENERGÍA TÉRMICA EN SISTEMA INDIRECTO Entrada de agua fría Colector Sensor Resistencia Termostato Vaso de expansión Acumulador Electrobomba Salida de agua caliente CIRCUITO DE SISTEMA INDIRECTO

10 CONVERSIÓN EN ENERGÍA CALORÍFICA OTRAS APLICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR a) En invernaderos.- Los plásticos permiten la entrada de radiaciones electromagnéticas. Al incidir sobre el suelo la longitud de onda aumenta y al intentar salir los rayos infrarrojos se lo impide el plástico. Aumentando considerablemente la temperatura. b) Desalinizadora de agua marina.- Recipiente de color oscuro aislado exteriormente. Cristal superior con una inclinación de 45º. Al evaporarse el agua del mar, la sal queda en el fondo. Las gotas de agua se condensan y cae a un depósito exterior. En ambos casos se pueden llegar a alcanzar los 50ºC

11 CONVERSIÓN EN ENERGÍA CALORÍFICA DE CONCENTRACIÓN.- Estos dispositivos concentran los rayos solares sobre una superficie pequeña (caldera, en el campo de heliostatos) que puede ser un punto (en los colectores parabólicos) o una línea (en colectores cilíndrico-parabólico) con lo que se consiguen temperaturas medias de hasta 300ºC. El vapor de agua se utiliza para la producción de energía eléctrica. a) CAMPO HELIOSTATOS (altas temperaturas).- Son aquellas instalaciones que transforman la radiación solar en energía térmica y posteriormente en energía eléctrica. Necesitan unos espejos (con seguimiento automático al Sol) que concentran la radiación solar sobre la caldera situada en la torre, aumentando la temperatura de un fluido (aceite térmico) en un primer circuito, donde se alcanzan temperaturas entre 300 y 1000º. En un circuito secundario, el agua se vaporiza incidiendo este sobre una turbina, produciendo un giro que hace que el alternador genere energía eléctrica. Seguidamente un transformador eleva la tensión que va a la red de salida.

12 CONVERSIÓN EN ENERGÍA CALORÍFICA b) COLECTORES CILINDRICO-PARABÓLICOS (temperaturas medias).- Este tipo de instalación está formado por uno o varios colectores (cilíndrico-parabólico) en serie con sistema de seguimiento al Sol. Sobre el fluido que circula por una tubería situada en el foco de dichas parábolas, inciden concentrados los rayos luminosos, alcanzando temperaturas entre los 100 y los 300ºC. Con ese calor se consigue evaporar agua en una caldera, con el cual podemos generar energía eléctrica.

13 CONVERSIÓN EN ENERGÍA CALORÍFICA HORNO SOLAR.- Los rayos solares que inciden en una gran espejo parabólico los concentra en una pequeña zona o punto (torre) alcanzando temperaturas muy elevadas (cercanos a los 4000 ºC) Una gran cantidad de espejos con seguimiento automático al Sol se encargan de concentrar la radiación sobre el gran espejo parabólico. Se utiliza en el estudio del punto de fusión de los materiales.

14 CONVERSIÓN EN ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA FOTOVOLTAICA.- El fenómeno de conversión fotovoltaica o fotoelectricidad, consiste en transformar directamente la energía luminosa (rayos solares) en energía eléctrica. Las células son los dispositivos capaces de realizar esta transformación. Son unas placas de un material semiconductor generalmente, silicio provistos de electrodos metálicos (superior e inferior). Están formadas por silicio tipo P (defecto de electrones) sobre una base metálica como electrodo inferior, otra de silicio puro (sin carga eléctrica) y una capa de silicio tipo N (exceso de electrones), -sobre la cual incide la radiación solar- con electrodo metálico superior, formando todo ello una especie de sándwich. La luz solar, como toda onda electromagnética, se compone de un flujo de fotones. Cuando incide sobre la célula, bajo ciertos condicionantes, se producen una serie de fenómenos a escala atómica que generan una fuerza electromotriz capaz de producir corriente eléctrica.

15 ESTRUCTURA DE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA FABRICACIÓN DE UNA CÉLULA SOLAR VÍDEO LÁMPARA CÉLULA FOTOVOLTAICA Silicio tipo N Electrodo superior Silicio puro Silicio tipo P Base metálica (electrodo inferior)

16 CARACTERISTICAS DE LAS CELULAS Las célula solares están diseñados para unas condiciones de funcionamiento determinadas que son densidad aproximadas de 1000 w/m 2 y temperatura 25ºC. La variación de estas condiciones también hace variar su rendimiento. -A mayor densidad de radiación solar, mayor rendimiento. -A mayor temperatura, menor rendimiento. El material de las primeras células era selenio con un rendimiento del 2%. En la actualidad las obleas o células son de silicio o bien monocristalinas que cristalizan de forma circular (son redondas) las menos habituales y más caras, son más duraderas y eficaces llegando a tener un rendimiento entre el 15% al 20% se utilizan sobre todo en la carrera aeroespacial o bien policristalinas que cristalizan de forma rectangular (o cuadradas) que son las más habituales y baratas, tienen un rendimiento del 15%, estas son menos eficaces y duraderas. Las células que reciben la radiación solar por una sola cara se denominan monofaciales (las mas habituales)y las que pueden recibir y transformar la luz por las dos caras se denominan bifaciales (menos habituales).

17 PANELES FOTOVOLTAICOS Las células se montan sobre paneles en cuya parte delantera llevan vidrio antirreflectante y de máxima transparencia y gran resistencia al impacto. La parte posterior esta formada por una chapa de acero para evacuar con facilidad el calor derivado de la conversión. En el interior se alojan las células pueden ser de forma circular de 100 mm de diámetro o rectangulares. Se suelen conectar entre sí en serie o en paralelo, para conseguir las tensiones y las intensidades adecuadas. Cada célula suele poder dar una tensión de 0,58V aunque en la práctica solamente consiguen unos 0,5V. Una célula de 1 vatio significa que da una intensidad máxima de 2 amperios. Comercialmente se construyen los llamados módulos o paneles fotovoltaicos compuestas de 36 células conectadas en serie, que producen una tensión máxima de 18 voltios.

18 DISEÑO Y CÁLCULO DE PANELES FOTOVOLTAICOS Para calcular las dimensiones de un panel fotovoltaico, podemos trabajar, al igual que con la fototérmica, con la densidad de radiación solar (δ) o también llamado coeficiente de radiación solar o constate solar (K). La densidad de radiación es la potencia (w) por unidad de superficie (m 2 ). δ = K= P/S Se estima que la densidad que penetra en la atmósfera, puede llegar a ser de 1000 w/m 2, pero se toma una media de δ = K = 627 w/m 2 De tal manera que la energía que el sol le suministra al panel fotovoltaico será: E suministrada = Q = K t S Siendo el rendimiento del panel: η = Eútil / Esuministrada La energía útil que nos produce el panel será: E útil = η * E suministrada

19 CORRIENTE ELÉCTRICA OBTENIDA La energía eléctrica conseguida se puede utilizar en el acto o ser acumulada (almacenada). Se puede utilizar como corriente continua, utilizándola directamente desde las células o después de acumularla en baterías o también como corriente alterna después de pasarla por un convertidor de corriente (continua a alterna) también llamado inversor. Los tamaños de los paneles necesarios son directamente proporcionales a las potencias que se desean generar.

20 INCONVENIENTES DE LA ENERGÍA SOLAR Gran superficie de terreno ocupado por las instalaciones. En los países con pocas horas de luz el rendimiento es muy bajo. Los costes de las instalaciones es alto. El proceso de producción y almacenamiento de los paneles fotovoltaicos es contaminante. Impacto medioambiental en el ecosistema de la zona. Cuando las instalaciones terminan su vida útil los residuos que no se reciclen, pueden llegar a ser contaminantes.