LIBRO ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA BLOQUE II: ENERGÍAS RENOVABLES

BLOQUE II: ENERGÍAS RENOVABLES LA ENERGÍA SOLAR

El Sol, de forma directa o indirecta, es el origen de todas las energías renovables, exceptuando la energía maremotriz y la geotérmica. ¿SABÍAS QUE…? La cantidad de energía del Sol que recibe la Tierra en 30 minutos es equivalente a toda la energía eléctrica consumida por la humanidad en un año.

El Sol puede aprovecharse energéticamente de 2 formas diferentes: - Como fuente de calor: Energía Solar Térmica de baja y media temperatura - Como fuente de electricidad: Energía Solar Fotovoltaica y Solar Térmica de alta temperatura

¿CUÁNTA ENERGÍA EMITE EL SOL? La potencia generada por todas las plantas industriales del mundo trabajando juntas sería unos 200 billones de veces más pequeña que la que genera el Sol. 200 billones de veces > ¿SABÍAS QUE…? La energía procedente de la radiación solar, absorbida por la Tierra en un año, equivale a 15 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo.

RADIACIÓN TOTAL: Difusa + Directa

Aparatos de medida RADIACIÓN GLOBAL PIRANÓMETRO (células fotovoltaicas calibradas) RADIACIÓN DIFUSA PIRANÓMETRO CON DISCO DE SOMBRA RADIACIÓN DIRECTA PIRHELIOMETRO

LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA BLOQUE II: ENERGÍAS RENOVABLES Capítulo 3 LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

¿CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA I? El principio básico de funcionamiento de los sistemas solares térmicos es sencillo: la radiación solar se capta y el calor se transfiere a un fluido (generalmente agua). Para aprovechar la energía solar térmica se usa el captador solar (colector solar ).

¿CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA II? Elementos del colector solar: cubierta frontal transparente: suele ser de vidrio. superficie absorbente: por donde circula el fluido (normalmente agua). aislamiento térmico: evita las pérdidas de calor. - carcasa externa: para su protección.

¿CÓMO FUNCIONA LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA III? 4% 8% 66% 12% 100% 10% 58% TUBO Pérdidas por conducción PLACA ABSORBEDORA CUBIERTA TRANSPARENTE Pérdidas por radiación Radiación reflejada y absorbida Pérdidas por convección Radiación total AISLAMIENTO R. caloríficos 4 a 70 Rayos solares 0,25 y 2,5 El colector solar basa su funcionamiento en el efecto invernadero: - La radiación solar (onda corta) incide y atraviesa el vidrio y es absorbida por una superficie que se calienta. - Esta superficie emite, a su vez, calor o radiación térmica (onda larga); pero este tipo de onda no puede atravesar el vidrio, por lo que se queda atrapada dentro del colector.

APROVECHAMIENTOS DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA La EST se utiliza para calentar fluidos. Dependiendo de la temperatura final alcanzada por el fluido a la salida, las instalaciones se dividen en: Baja temperatura: Las más extendidas. Se destinan a aplicaciones que no exigen Tª > 90 ºC. Ej.: producción de agua caliente sanitaria (ACS) para viviendas y polideportivos, apoyo a la calefacción de viviendas, calentamiento de agua de piscinas, etc. Media temperatura: Aplicaciones que exigen Tª del agua entre los 80 ºC y los 250 ºC. Ej.: calentamiento de fluidos para procesos industriales y la desalinización de agua de mar. Alta temperatura: Aplicaciones que requieran Tª del agua superiores a los 250 ºC. Ej.: generación de vapor para la producción de electricidad.

SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA I Los colectores que se utilizan en estas aplicaciones son colectores planos. ¿SABÍAS QUE…? Los primeros colectores planos se desarrollaron en 1891 en EE UU. Se empezaron a vender en 1909, proporcionaban agua caliente las 24 horas y se comercializaron bajo la marca “Día y Noche”. Estos colectores representaron el nacimiento de la tecnología que se usa en la actualidad para calentar agua en viviendas. Se distinguen varios tipos de instalaciones atendiendo a: Tipo de circuito Tipo de sistema

SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA II Según el tipo de circuito, las instalaciones pueden ser: de circuito abierto de circuito cerrado Instalaciones de circuito abierto: el agua que circula por el colector es la misma que se utiliza como agua caliente. El agua entra en el colector, se calienta, pasa al tanque y se usa directamente. - Instalaciones de circuito cerrado: por el colector circula un fluido (en circuito cerrado) que se calienta y cede su calor al agua de abasto a través de un intercambiador de calor. CIRCUITO ABIERTO CIRCUITO CERRADO

SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA III Según el tipo de sistema, las instalaciones pueden ser: Sistemas de circulación forzada Sistemas termosifón

SISTEMAS DE CIRCULACIÓN FORZADA SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA IV SISTEMAS DE CIRCULACIÓN FORZADA El acumulador se sitúa dentro del edificio (ej. en sótano). Para hacer circular el agua entre el colector y el acumulador, se utiliza una bomba (aporte externo de energía necesario). Circuito abierto CONSUMO Circuito cerrado

SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA V ¿SABÍAS QUE…? Se utilizan en el centro y norte de Europa, en donde el clima es muy frío en invierno como para poder situar el acumulador en el exterior, dadas las pérdidas de calor

SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA VI SISTEMAS TERMOSIFÓN - Funcionan sin aporte externo de energía. Efecto termosifón: el movimiento del agua se produce por la diferencia de temperatura entre el agua fría del tanque y la caliente del colector. El agua del colector se calienta por el Sol, disminuye su densidad y su peso específico: el agua más caliente se sitúa en la parte superior del colector. El mayor peso del agua fría del depósito hace que ésta caiga por el conducto (que une la parte inferior del depósito con la parte inferior del colector). Ambos efectos provocan que el agua caliente del colector ascienda hasta el tanque. Se crea el movimiento del agua del colector al depósito, que se mantendrá mientras haya suficiente diferencia de Tª entre el colector y el tanque. Calentada el agua del depósito, las Tª se igualan y el movimiento cesa. T2 Circuito abierto T1 Circuito cerrado

SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA VII En Canarias: El sistema termosifón es el que se instala mayoritariamente en viviendas unifamiliares y se sitúa en los tejados o azoteas. Para instalaciones grandes, como por ejemplo las de un hotel, se instalaría un sistema con circulación forzada.

SISTEMAS DE EST DE BAJA TEMPERATURA VIII ¿SABÍAS QUE…? Entre los colectores y el acumulador circulan de 10 a 40 litros de agua/h y por m2 de superficie de colector plano ¿SABÍAS QUE…? Las instalaciones de circuito cerrado son apropiadas para aquellas zonas donde el agua de abasto es de mala calidad; ya que si este agua circulara por el colector (caso del circuito abierto), éste se rompería antes y habría que cambiarlo. En el circuito cerrado, el único elemento que está en contacto con el agua de abasto es el intercambiador de calor, elemento que es más económico y fácil de cambiar.

APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA I Agua Caliente Sanitaria (ACS) doméstica Es la aplicación más extendida de la EST de baja temperatura. Se emplean colectores solares planos. La temperatura necesaria suele ser de 45º C. ¿SABÍAS QUE…? - En el sur de Europa, para suministrar ACS a una vivienda unifamiliar se suele utilizar un sistema de termosifón, con un colector de unos 2 a 5 m2 y un depósito de 100 a 200 litros. - En el centro y norte de Europa se suele instalar un sistema de circulación forzada, con un colector de 3 a 6 m2 y un acumulador de 150 a 400 litros.

APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA II Climatización de piscinas En instalaciones en piscinas descubiertas se suelen emplear sistemas muy simples, en los que la propia piscina actúa como acumulador. Sistema de captación: suelen ser colectores de plástico negro (más económicos y resistentes al cloro) que se alimentan con la propia agua de la piscina (eliminando la necesidad del intercambiador). La temperatura necesaria suele ser de 25 ºC.

APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA III

APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA IV Sistemas combinados de ACS y calefacción Se utilizan en el centro y norte de Europa y se dimensionan para que cubran las necesidades de agua caliente y calefacción. La temperatura necesaria suele ser de 50º C. Utilización en sistemas de calefacción basados en suelo radiante.

APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA V Secado solar Se utiliza en países en desarrollo donde no se dispone de neveras para la conservación de alimentos. Durante siglos, se ha utilizado el secado solar de las cosechas, simplemente esparciendo el grano para exponerlo al sol y al aire. En la actualidad, se diseñan sistemas sencillos con los mismos fines.

APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA VI Cocinas solares Se utilizan sobre todo en países en desarrollo y sustituye el uso de la leña para cocinar. Estos sistemas posibilitan la pasteurización del agua (muy importante en estos países para reducir el riesgo de enfermedades ocasionadas por la ingesta de agua contaminada) y la cocción de los alimentos en pocas horas. Una cocina solar puede ahorrar 2250 kgrs. de leña al año y cuesta unos 120 €. Aplicaciones en industrias Estas aplicaciones suelen darse en casos en los que se trabaja a temperaturas similares a las del agua caliente sanitaria, como pueden ser el lavado de botellas, separación de fibras, tratamiento de alimentos, etc.

APLICACIONES DE EST DE BAJA TEMPERATURA VII Destilación solar La destilación solar ha sido utilizada tradicionalmente en lugares con escasez de agua y alto índice de radiación solar, como en desiertos. Recientemente, se han desarrollado en Canarias varios sistemas de desalación de agua de mar con energía solar térmica de baja temperatura. Estos sistemas, todavía en fase de I+D (investigación y desarrollo), pretenden mejorar el ratio de producción de agua frente a los sistemas clásicos de destilación. ¿SABÍAS QUE…? El primer destilador solar de la historia fue construido en el desierto de Atacama (Chile) y funcionó desde 1874 a 1914, y tenía una superficie de 4757 m2.

¿PUEDO CUBRIR TODAS MIS NECESIDADES DE AGUA CALIENTE CON ENERGÍA SOLAR TÉRMICA? Los sistemas solares se diseñan normalmente para cubrir el 100% de la demanda de agua caliente en verano, y del 50 al 80% del total a lo largo del año; el resto de la demanda se cubre con un calentador convencional de apoyo, bien de gas o eléctrico. Teóricamente, los sistemas solares podrían cubrir la demanda de agua caliente durante todo el año, pero en este caso habría que dimensionarlos para cubrir las necesidades de agua caliente durante el invierno (periodo con menor radiación solar); los sistemas tendrían que ser mayores y, por tanto, más costosos, y habría una sobreproducción de agua caliente en verano.

ORIENTACIÓN DE LOS COLECTORES SOLARES Para optimizar las instalaciones es muy importante la orientación de las mismas (para poder obtener la mayor producción de ACS con la menor superficie de colectores y, consecuentemente, al menor precio). Los colectores han de orientarse al sur, y la inclinación, en el caso de Canarias, es de unos 40º.

LOS NÚMEROS DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Superficie instalada en la UE (fin de 2006): 20 millones de m2. Clasificación por países - Alemania: 42,5% Grecia: 15% Austria: 14% … España: 3,4% con 682 000 m2 (con un nivel de radiación solar mucho mayor que el de Alemania o Austria) Objetivo de la UE para el 2010: 100 millones de m2. Objetivo de España para el 2010: 5 millones de m2.

NORMATIVA DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS EN CANARIAS El Código Técnico de la Edificación, que entró en vigor en septiembre de 2006, exige la instalación de sistemas solares térmicos en los edificios de nueva construcción o en los que se rehabiliten en todo el territorio español. En Canarias, se exige que, como mínimo, el 70% de la demanda de ACS sea cubierta por sistemas solares; esto se aplicará para viviendas cuyos consumos de agua caliente vayan de 50 l/d a 5.000 l/d. ¿SABÍAS QUE…? La instalación de un sistema solar térmico en las promociones de nueva construcción apenas supone entre un 0,5% y un 0,8% adicional sobre el coste total del proyecto

¿POR QUÉ NO SE INSTALA MÁS ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN CANARIAS I? IMPACTO VISUAL La integración de los paneles solares térmicos de forma armoniosa con la edificación puede paliar el eventual efecto visual negativo. La energía solar térmica en sectores como el hotelero tiene otro interés, además del energético, ya que proporciona una imagen de respeto con el medio ambiente, cuidado del entorno y calidad de vida (imagen indispensable si se quiere atraer a un turismo sostenible).

¿POR QUÉ NO SE INSTALA MÁS ENERGÍA SOLAR TÉRMICA EN CANARIAS II? COSTE Las placas solares térmicos resultan, a la larga y considerando una vida útil de 20 años, más económicas que el convencional termo eléctrico. La principal diferencia estriba en la inversión inicial. Pero con un termo eléctrico habría que pagar el consumo de electricidad mensual o bimestral a la compañía eléctrica; mientras que en un sistema solar térmico sólo habría que hacer una inversión inicial y pagar por eventuales consumos de apoyo en épocas de radiación solar insuficiente. ¿SABÍAS QUE…? Si calentamos el agua de una vivienda de Canarias con un colector solar, en lugar de con un termo eléctrico, se podría ahorrar casi un tercio de la factura eléctrica.

APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA I Para producir electricidad con energía solar térmica hay que recurrir a un sistema de concentración de los rayos solares. Estos sistemas requieren de un dispositivo de seguimiento solar, de tal forma que siguen al Sol en su recorrido diario, consiguiendo así una mayor captación de la radiación solar. Las 3 tecnologías solares que se utilizan para la generación de electricidad son: 1.- Sistema solar con torre central receptor con helióstatos 2.- Colectores cilindro-parabólicos 3.- Discos parabólicos (Stirling)

Sistema solar con torre central receptor con helióstatos APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA II Sistema solar con torre central receptor con helióstatos Suelen estar constituidas por una serie de espejos (denominados helióstatos) que reflejan los rayos solares hacia una torre central, concentrando la radiación solar en un solo punto, donde se alcanzan temperaturas que pueden llegar a los 1000 ºC. Estas centrales han sido construidas en diversos tamaños, desde 0,5 a 10 MW.

Colectores cilindro-parabólicos APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA III Colectores cilindro-parabólicos El colector consiste en un espejo cilindro-parabólico que refleja la radiación solar sobre un tubo de vidrio dispuesto a lo largo de la línea focal del espejo. El fluido caloportador pasa por una tubería situada en el foco de los colectores, donde puede alcanzar temperaturas de 400 ºC, y se utiliza para producir vapor sobrecalentado, lo que alimenta una turbina convencional, y genera así energía eléctrica.

APLICACIONES DE ALTA TEMPERATURA IV Discos parabólicos (Stirling) Están constituidos por espejos parabólicos en cuyo foco se sitúa el receptor solar. Esta tecnología es adecuada para una producción descentralizada, cercana al lugar de consumo, con los ahorros en infraestructuras de distribución que ello supone. Un disco de 8,5 m de diámetro es capaz de producir 10 kW. En la actualidad, es capaz de competir con pequeños motores diésel.