ENERGIA SOLAR TERMICA

Historia: USO DE LA ENERGÍA SOLAR TERMICA Espejos Ardientes de Aquimides

Salomon de Caus

Ehrenfried Walther von Tschirnhaus

John Ericsson

Agustín Mouchot

HORNOS SOLARES Horno Solar de Odeillo

Planta Solar; Solar Two

INTRODUCCIÓN La radiación promedio anual sobre la superficie de la tierra varía de 2000 a 2500 kwh/m2 en las zonas de alta insolación, y entre 1000 y 1500 kwh/m2 anuales en lugares localizados en latitudes altas. La duración de la insolación y la intensidad de la radiación dependen localmente de la estación del año, de las condiciones del tiempo y de la situación geográfica.

El suministro de energía anual media proporcionado por el Sol sobre cada metro cuadrado equivale al contenido energético de 100 litros de petróleo en las latitudes medias y hasta 230 litros de petróleo en las zonas desérticas.

RADIACIÓN EN EL MUNDO

RADIACIÓN EN MÉXICO

CLASIFICACIÓN

Central térmica solar Instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica clásica.

la principal característica que distingue a tecnología termosolar de otras convencionales de producción de electricidad. Debido a las grandes extensiones de superficie reflectante necesaria, una parte importante de los costes de una planta están ligados a los helióstatos, o los colectores cilindro parabólicos en su caso

Es necesario concentrar la radiación solar para que se puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas

Las centrales termosolares Se pueden dividir en plantas de concentracion en un punto y en una linea

sistemas disco Stirling. son pequeños equipos de generación de energía que convierten la energía térmica de la radiación solar en energía mecánica y luego en energía eléctrica,

Concentrador solar parabólico.

Absorber la radiación solar reflejada por el concentrador. El receptor es el enlace entre el concentrador y el motor Stirling. Tiene dos tareas fundamentales: Absorber la radiación solar reflejada por el concentrador. - Transmitir esta energía absorbida al motor Stirling en forma de calor con las mínimas pérdidas.

Receptor de tubos iluminados directamente Los receptores directamente iluminados permiten una adaptación directa del calentador de los motores Stirling convencionales. En estos receptores el absorbedor está formado con un haz de tubos por donde circula el fluido de trabajo del motor (helio o hidrógeno) altamente presurizado

Receptores de reflujo Este tipo de receptores emplea un fluido intermedio para la transmisión del calor, (normalmente sodio), mediante su evaporación en la superficie del absorbedor Y donde circula el fluido de trabajo

Inventado por Robert stirling Pueden generar de 1 a 2 kw

Las centrales de torre también conocida como sistema de receptor central Está compuesta por un sistema concentrador o campo de heliostatos, que capta y concentra la componente directa de la radiación solar sobre un receptor —donde se produce la conversión de la energía radiante en energía térmica que suele instalarse en la parte superior de una torre

Actualidad Centrales de torre Sevilla.-está conectada a la red eléctrica y produciendo desde el 28 de febrero de 2007 El receptor es de vapor saturado, la potencia es de 11 MW (624 helióstatos y torre de 114 metros de altura 2009 (con 1255 helióstatos y torre de 150 metros y receptor de vapor saturado) con una potencia de 20 MW

Central termosolar en mexico Agua Prieta II es la primera planta en su tipo que entra en el mercado de la electricidad en México y América Latina 12MW Agua Prieta II La central solar formará parte de un proyecto híbrido termosolar que también incluirá una planta de ciclo combinado de 400MW

CENTRALES SOLARES TERMICAS Las centrales de cilindros parabólicos

LAS CENTRALES DE CILINDROS PARABÓLICOS En lugar de heliostatos, se emplean espejos de forma cilindro parabólica. Por el foco de la parábola pasa una tubería que recibe los rayos concentrados del Sol, donde se calienta el fluido, normalmente un aceite térmico. Una vez calentado el fluido, el proceso es el mismo que el de las centrales de torre. Actualmente el fluido alcanza temperaturas próximas a 400 °C

TECNOLOGÍA CILINDRO PARABÓLICA La tecnología cilindro-parabólica es una tecnología limpia, madura y con un extenso historial que demuestra estar preparada para la instalación a gran escala. Esta tecnología lleva siendo instalada a nivel comercial desde los años 80 con un excepcional comportamiento. Desde entonces, ha experimentado importantes mejoras a nivel de costos y rendimientos. Actualmente hay más de 800 MW en operación, más de 2000 MW en construcción y alrededor de 6 GWs en promoción a nivel mundial en paises como España (el principal motor de la tecnología termosolar), Estados Unidos, Marruecos, Argelia, Egipto, Australia, Surdáfrica, India, México y Chile.

La tecnología cilindro-parabólica basa su funcionamiento en el seguimiento del movimeitno solar para que los rayos incidan perpendicularmente a la superficie de captación, y en la concentración de estos rayos solares incidentes en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la linea focal de los cilindros. En estos tubos, un fluido transmisor de calor, normalmente un fluido orgánico sintético (HTF) es calentado hasta unos 400 ºC. Este fluido caliente de dirige a una serie de intercambiadores de calor para producir vapor sobrecalentado. La energía presente en este vapor se convierte en energía eléctrica utilizando una turbina de vapor convencional y un generador acoplado a ella

COMPONENTES   El reflector cilindro-parabólico: La misión del receptor cilindro parabólico es reflejar y concentrar sobre el tubo absorbedor la radiación solar directa que incide sobre la superficie. La superficie especular se consigue a través de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte de vidrio que le da la suficiente rigidez.

COMPONENTES El tubo absorbedor consta de dos tubos concéntricos separados por una capa de vacío. El interior, por el que circula el fluido que se calienta es metálico y el exterior de cristal.  El fluido de trabajo que circula por el tubo interior es diferente según la tecnología. Para bajas temperaturas (< 200 ºC) se suele utilizar agua desmineralizada con Etileno- Glicol mientras que para mayores temperaturas (200º C < T < 400 º C) se utiliza aceite sintético. Las últimas tecnologías permiten la generación directa de vapor sometiendo a alta presión a los tubos y la utilización de sales como fluido caloportante.

COMPONENTES   El sistema de seguimiento del sol: El sistema seguidor más común consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro- parabólicos del colector alrededor de un eje.  La estructura metálica: La misión de la estructura del colector es la de da rigidez al conjunto de elementos que lo componen.

Colector Cilindro-Parabólico

ALMACENAMIENTO La tecnología de colectores cilindro- parabólicos puede incorporar almacenamiento para poder producir electricidad en horas de oscuridad, la más extendida es el almacenamiento con sales. Esta tecnología se basa en la utilización de dos tanques de sales para almacenar el calor.

1)  Durante el ciclo de carga, las sales intercambian calor con el fluido procedente del campo solar y se almacenan en el tanque caliente. 2)  Durante el ciclo de descarga, el sistema simplemente opera en sentido contrario al anteriormente expuesto, calentando el fluido caloportador que generará vapor para mover la turbina que producirá finalmente la electricidad.

Esquema de funcionamiento de almacenamiento de sales fundidas.

CENTRALES EN EL MUNDO SEGS (Solar Electric Generating System) de California,en el desierto de Mojave, que en la actualidad producen más del 90 % de la energía solar termoeléctrica mundial. SEGS I y II se encuentran en Dagget. SEGS III a VII están en Kramer Junction. SEGS VIII y IX están en Harper Lake. Estaba previsto construir tres más, SEGS X, XI y XII, pero el proyecto se suspendió.

PROYECTOS La central de Andasol, de 50 MW [2] cada una. En Australia se está estudiando también la instalación de una de estas torres de 1 km de altura, campo colector de 5 km de diámetro y que generaría 200 MW . En Boulder City, cerca de Las Vegas, Nevada, está prevista una de 64 MW.

TECNOLOGIA FRESNEL Una de las nuevas formas de aprovechamiento térmico de la energía solar es el concentrador lineal tipo Fresnel que se destaca por la sencillez de su construcción y por su bajo costo. La tecnología fresnel  utiliza reflectores planos, simulando un espejo curvo por variación del ángulo ajustable de cada fila individual de espejos, en relación con el absorbedor. Los reflectores se construyen con  espejos de vidrio normales y por lo tanto su materia prima es muy barata. La forma curvada de los espejos cilindro parabólicos hace que sean un 15% más eficientes que los espejos Fresnel, pero el ahorro de costes de construcción es tan importante que esa disminución de rendimiento se ven suficientemente compensada.

TIPO FRESNEL

REQUISITOS PARA UNA CENTRAL TERMO-SOLAR 1)  El clima. La viabilidad económica de un proyecto termosolar depende de forma directa de los valores de irradiación solar directa que se registran anualmente en la zona considerada para la implantación, por lo que normalmente este tipo de centrales se instalan en zonas calidas y muy soleadas. 2)  La orografía. Una superficie plana facilita las labores de diseño y construcción del campo solar, ya que se evitan las sombras que pudiese provocar un terreno ondulado. 3)  Disponibilidad de agua. 4)  Disponibilidad de conexión eléctrica a la red

El ciclo combinado-solar

COCINAS SOLARES Son artefactos que permiten cocinar alimentos usando el sol como fuente de energía. Se dividen en dos familias: De Concentración: Horno o Caja:

HISTORIA La primera estufa solar fue inventada en 1767 por Horace de Saussure. La verdadera pionera de las cocinas tipo horno fue la Dra. Maria Telkesi,entre 1950 a 1970.

PRINCIPIO DE DISEÑO El funcionamiento de la cocina solar tipo caja) se basa en principios físicos. Efecto invernadero Reflectores

Conducción. Radiación. Convección.

Almacenaje De Calor. Volumen De La Caja. De Los Colores.

Principio De Operación De Un Concentrador Solar

Materiales De Fabricación Estructura Aislante Térmico Ventana Reflectores Recipiente

Acerca De Las Temperaturas

Cocción De Los Alimentos Agua Natural Pastas Arroz Papas Lentejas Pizza Envasado

ENERGIA SOLAR TERMICA Calentadores solares

De toda la energía que se genera en el proceso de fusión nuclear que tiene lugar en el interior del Sol, nuestro planeta recibe menos de una milmillonésima parte. La cual resulta, en proporción con el tamaño de la Tierra, una cantidad enorme. La radiación solar que llega a la superficie terrestre se puede transformar en electricidad o calor. Puede ser utilizada directamente como calor o para producir vapor (solar térmica) y para generar electricidad (solar eléctrica). De esta forma, en un año, la Tierra recibe del sol la energía que podría producir 60 millones de toneladas de petróleo. De acuerdo con la Asociación Nacional de Energía Solar AC, si se lograra convertir el 1% de esta energía en electricidad se podría producir lo equivalente a la electricidad utilizada en todo México en 1996.

Una de las formas mas sencillas de aprovechar la energía solar es utilizando los calentadores solares de agua, los cuales son eficientes y fáciles de usar. Los calentadores solares son sistemas foto térmicos en los que se puede canalizar la energía irradiada por el sol hacia nuestros hogares, usándola para calentar agua para uso doméstico, para calentar agua en deportivos y albercas, para el secado de granos e incluso para mover turbinas que generan electricidad. El calentamiento de agua por calentadores solares es muy común en países como Alemania, Israel, Grecia, España, Portugal, Japón y Estados Unidos. Regiones cuya ubicación con respecto al sol es menos favorable que la de México. A pesar de ello, en nuestro país este recurso es poco aprovechado. Por ejemplo, en Austria por cada 1000 habitantes existen 240 metros cuadrados de calentadores solares, en tanto que en México la cifra corresponde a 0.33 metros cuadrados por cada 1000 habitantes.

Un calentador solar es un aparato que utiliza el calor del sol para calentar alguna sustancia, como puede ser agua, aceite, salmuera, glicol o incluso aire. Su uso más común es para calentar agua para uso en albercas o servicios sanitarios (duchas, lavado de ropa o trastes etc.) tanto en ambientes domésticos como hoteles. Son sencillos y resistentes, pueden tener una vida útil de hasta 20 años sin mayor mantenimiento.

En muchos climas un calentador solar puede disminuir el consumo energético utilizado para calentar agua. Tal disminución puede llegar a ser de hasta 50%-75% o inclusive 100% si se sustituye completamente, eliminando el consumo de gas o electricidad. Aunque en muchos países, por lo general en vías de desarrollo con climas muy propicios para el uso de estos sistemas, no los utilizan debido al costo inicial que se debe de cubrir para calentar la primera gota de agua. La eficiencia para captar la energía solar es muy elevada en los calentadores solares. Dependiendo de la tecnología y materiales implementados, puede llegar a tener eficiencias de 70% u 80%. No debemos confundirnos con el panel fotovoltaico, el cual no se utiliza para calentar substancias, sino para generar electricidad a partir de la luz.

Partes de un calentador

colector Plano Tubos al vacío

funcionamiento Los colectores solares domésticos tienen un funcionamiento en realidad muy sencillo. La luz solar se convierte en calor al tocar la placa térmica colectora, la cual puede ser metálica (fierro, cobre, aluminio, etc.) o de plástico. Esta debe ser obscura para lograr la mayor recolección de calor, por debajo de la misma se encuentran los cabezales de alimentación y circulación de agua, por donde el liquido “entra frió y sale caliente” del colector solar plano. El agua circula dentro del sistema, mediante el mecanismo de termosifón, el cual se origina por la diferencia de temperatura que se genera en el agua debido al calentamiento proporcionado por el sol. Esto significa que, el agua caliente es más ligera que la fría y, en consecuencia, tiende a subir. Esto es lo que sucede entre el colector solar plano y el termotanque, con lo cual se establece una circulación natural, sin necesidad de ningún equipo de bombeo. Para que el agua se mantenga caliente y lista para usarse en el momento requerido, esta se almacena en el termotanque, el cual está forrado con un aislante térmico para evitar la perdida de calor.

La cantidad de agua caliente que un calentador solar de agua produce depende de: El tipo y tamaño del sistema: Un tanque lleno de agua, con capacidad 150 Litros, con los rayos solares directos nos eleva la temperatura de agua 8ºC a 10ºC por hora. La cantidad correcta de sistemas en proporción al volumen de agua por calentar La cantidad de sol disponible en el lugar La orientación correcta de los sistemas: (hacia el sur en el hemisferio norte - el techo del edificio es el mejor lugar). Instalación profesional.

Cálculos de rendimiento (Fórmulas y datos extraído del libro “Energía solar” de Quadri Néstor) Para calcular la superficie de paneles solares a colocar en una vivienda se debe utilizar la siguiente fórmula: S=Cd(ts -te)/(lt *n) Dónde: Cd: caudal diario de agua a calentar (l/día) ts: temperatura de salida del agua del tanque (ºC) te: temperatura de entrada del agua de la red al tanque (ºC) It: surge de la radiación proyectada, por el sol por metro cuadrado, sobre la superficie inclinada del colector, en función de las horas de asoleamiento y la latitud correspondiente. n: es el rendimiento del colector que es igual a n=[((te+ts)/2)-ta] /i te : temperatura del agua de entrada (ºC) ts: temperatura del agua de salida (ºC) ta: temperatura del aire exterior i: intensidad de radiación solar promedio sobre el área del colector (watt/metro cuadrado) Para resolver el cálculo de la superficie de colectores necesarios se debe tener en cuenta que: una persona normal consume 50 litros de agua caliente diarios, la temperatura a la cual se desea llegar es normalmente 50 ºC (mejor punto de equilibrio entre temperatura y rendimiento), la temperatura del agua de entrada oscila entre 10 ºC y 15 ºC Para los cálculos prácticos el valor de n suele estimarse entre 0,5 ºC m²/W o 1 ºC m²/W Es conveniente agregar siempre un 20% más de superficie de colector para igualar las pérdidas de calor que se producen en el acumulador y el circuito que transporta el agua.

Tablas de selección de calentadores solares para clima cálido, temperatura de agua 20°C

Tablas de selección de calentadores solares para clima templado-frío con heladas, temperatura de agua 15°C

TUBOS DE VACIO: Existen de dos tipos: Gravedad o sencillos Presión

GRAVEDAD Basado en el principio de termosifón. No soporta mas de 8 lbs. De presión. El tubo doble es utiliza porque al momento de que el rayo penetre en el tubo el calor no salga y se pierda. El tubo interior esta pintado según sea el caso del tipo de absorbedor: Pintura selectiva es el mas eficiente y el mas costoso Cromo negro muy contaminante y menos costoso Laca negra es el mas económico pero igual contaminante y menos eficiente

PRESION Requiere de un tanque mas robusto. Soporta hasta 90 lbs. Son equipos mas costosos puesto que requieren de mas equipo como reguladores de presion y bomba. El tubo de vacio ahora no maneja el fluido si no que en su interior tiene un delgado tubo de cobre que contiene acetona mas comúnmente la cual transmite el calor al tanque donde se calienta el agua.

La cualidad de los sistemas de tubos de vacio contra los colectores solares es que tiene la capacidad de captar mayor numero de rayos. Los colectores solares dependen de que los rayos lleguen perpendicularmente a la placa y con los tubos de vacio mas cantidad de rayos llegan perpendiculares solo por la forma que tienen.

EFICIENCIAS Dependen de: Tipo de absorbedor Tipo de vidrio Temperatura exterior Angulo de penetración de los rayos Aislamientos

APLICACIÓN Agua caliente para hogares, hoteles, restaurantes, calentamiento de agua para piscinas, procesos industriales, procesos químicos, industria alimenticia, entre otras. No olvidemos que el sol es una fuente de energía inagotable, siempre está ahí a nuestro alcance, no tenemos que pagar por ella.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas Medioambientales Económicos Sociales

MEDIOAMBIENTALES Es limpia y respetuosa con el Medio Ambiente (cada Kw generado evita la emisión de un kilo de CO2). Ayuda en la lucha contra el cambio climático y efecto invernadero. Es inagotable (al menos en los próximos 6.000 millones de años) No disminuye la calidad de aire y suelos. No contamina acústicamente: las placas solares son silenciosas y de amplia vida útil (entre 20 y 30 años).

Económicos Ahorro económico en la factura de electricidad. Flexibilidad en el suministro. Aumento de las inversiones económicas y del empleo. Fomenta el desarrollo de la Investigación, el Desarrollo y la Innovación mediante mejoras en los sistemas actuales, desarrollo de nuevos modelos, etc. . Su implantación ofrece importantes deducciones fiscales.

SOCIALES Importante fuente generadora de empleo: por cada 600.000 euros invertidos se crean entre 4 y 6 empleos. Fomenta el desarrollo rural en zonas poco favorecidas, lo que permite crear pequeñas empresas. Mejora en la calidad de vida.

Desventajas El nivel de radiación fluctúa de una zona a otra y de una estación del año a otra. Para colectar energía solar a gran escala se necesita una gran extensión de terreno. Requiere una gran inversión inicial.

Desventajas Se debe complementar este método de convertir energía con otros. Se requiere usar baterias.

Desventajas Los lugares donde hay mayor radiación, son lugares desérticos y alejados (energía que no se aprovechara para desarrollar actividad agrícola o industrial, etc.). Generan baja tensión y poca corriente