1. INTRODUCCIÓN 1.1. ENERGIA SOLAR TÉRMICA En forma directa o indirecta, el trabajo diario de complejos y elegantes colectores solares, solares, como son las hojas de las plantas y árboles, nos proporciona proporciona alimento y produce combustible para que millones millones de hogares en el mundo mundo entero puedan cocinar, cocinar, al igual que ha creado todas nuestras reservas reservas de combustibles fósiles fósiles en el pasado. En el presente manual estudiaremos la generación de calor a partir de la energía solar, aprovechando la radiación infrarroja. En En el método de conversión a calor, la luz solar es absorbida por una superficie de color negro, que por ende se calienta. calienta. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, caliente, también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde donde sea necesario. Este es, es, en resumen, el principio de conversión de la energía solar térmica. 1.2. APLICACIONES En el caso de la energía solar térmica, la radiación solar es convertida directamente en calor y puede ser empleada para el calentamiento calentamiento de agua, aire u otros elementos. Las aplicaciones más conocidas conocidas son:
Destiladores solares de agua Secadores solares Termas solares
1.2.1. DESTILADOR SOLAR DE AGUA El destilador solar de agua purifica purifica el agua evaporándola y luego condensándola. condensándola. El destilador no contiene contiene sales, minerales ni impurezas impurezas orgánicas. El agua agua obtenida puede ser utilizada tanto para consumo directo, en en hospitales, como agua para baterías, entre otros. Se aconseja su uso en áreas en los lugares donde haya abundante agua contaminada contaminada o salobre y, naturalmente, donde haya abundante abundante sol. Por último, los materiales materiales básicos, es decir, el vidrio o las láminas transparentes transparentes y resistentes a los rayos ultravioletas, ultravioletas, deberán obtenerse obtenerse fácilmente y tener tener un costo moderado. Como Como parámetro base, un destilador solar razonablemente funcional funcional produce cuatro litros diarios diarios de agua destilada por metro cuadrado de superficie superficie útil. Las principales características características operativas son las mismas para todos los destiladores solares. A continuación encontrará la descripción descripción de cómo opera un destilador.
El agua que será destilada es colocada en un recipiente dentro de una caja con cubierta inclinada de vidrio. El agua ingresa al destilador solar a través de la entrada. La radiación solar penetra a través de la cubierta de vidrio y calienta el fondo del recipiente, es decir, la radiación solar es absorbida al igual que el calor, por la superficie negra ubicada bajo el agua almacenada. El agua sobre la superficie es calentada por el sol y convertida en vapor de agua. El vapor se condensa en la cubierta de vidrio, cuya temperatura es baja debido al contacto con el ambiente. El agua condensada baja por el vidrio hasta un canal que va al tanque de almacenamiento. Todo el destilador deberá ser lo más hermético posible para evitar pérdidas de vapor. De la descripción se deduce fácilmente que un destilador con esas características puede ser construido en forma artesanal. Cualquier mecánico o carpintero con experiencia podría construirlo 1.2.2. SECADOR SOLAR Todos los secadores solares cuentan con los mismos componentes básicos:
Una cubierta transparente que permita el paso de la luz solar y limite las pérdidas de calor (vidrio o plástico) Una superficie absorbente, de color oscuro, que recoge la luz solar y la convierte en calor, para luego liberarlo en forma de aire. El aire caliente absorbe más agua que el frío, de modo que el aire caliente y seco es llevado a través del producto que se quiere secar Una capa de aislamiento por debajo
Una entrada y una salida de aire, a través de las cuales el aire húmedo puede ser reemplazado por aire fresco y más seco.
1.2.3. TERMAS SOLARES Una terma solar consta de uno o más colectores, así como de un tanque de almacenamiento aislado; está diseñada para ser utilizada en casas, hospitales, lavanderías, etc. El mecanismo de operación de una terma solar es el siguiente:
La luz solar es absorbida por una superficie de color negro cubierta por láminas de vidrio, que por ende se calientan. A su vez, si aire o agua recorren o pasan a través de esta superficie caliente, éstos también se calentarán. De esta forma, el calor podrá ser transportado a donde sea necesario. Este es, en resumen, el principio de una terma solar. El sistema de una terma solar está formado básicamente por un colector plano y un tanque de almacenamiento de agua. La Figura 5 ilustra el diseño más simple para una terma solar.
1.3. POSIBILIDADES Y LIMITACIONES La fuente de energía, es decir, la radiación solar, no cuesta; sin embargo, el equipo necesario para poder aprovechar los rayos solares puede ser caro, y, por lo general, requiere mantenimiento. Además, el usuario deberá tener nociones básicas sobre su funcionamiento. Una de las características de las termas solares es que las hay de distintos grados de perfección y con un amplio rango de costos y tamaños. La tabla 1 presenta un listado de ventajas y desventajas del uso de termas solares.
2. EL SOL: RECURSO ENERGÉTICO Para determinar las dimensiones de un colector solar, usualmente no es necesario medir la radiación solar porque los valores promedios se conocen para muchos de los lugares sobre la Tierra. Los valores promedios pueden usarse y esto es suficientemente exacto para los estudios de factibilidad. Sólo se deben considerar mediciones in situ cuando se realizan estudios de factibilidad para sistemas muy grandes que demandan grandes inversiones.
En el Perú tenemos ya un Atlas Solar, el cual nos da una primera aproximación de los lugares donde la radiación solar se puede aplicar. En esta sección aprenderemos a medir la radiación solar y a comprender las mediciones realizadas por terceros, ya que es lo primero que debemos hacer antes de dimensionar o instalar un sistema solar térmico. 2.1. FLUCTUACIONES DIARIAS Y ESTACIONALES Además de las variaciones de un lugar a otro, también las hay de una estación a otra (ver Figura 8). Las fluctuaciones estacionales para el Perú están registradas en un cuadro que muestra la radiación solar mensual. De este cuadro se puede concluir que la radiación para Tumbes varía de 3.0 kWh/m2 -día en julio a 5.1 kWh/m2 -día en marzo (ver Cuadro 2)
FLUCTUACIONES ESTACIONALES DEL SOL
Las fluctuaciones estacionales son un problema común a muchas de las fuentes de energías renovables (es por ello que en ocasiones son llamadas fuentes intermitentes); y constituyen además una de sus mayores limitaciones. Por esta razón, es necesario usar algún tipo de almacenamiento. El almacenar energía siempre resulta costoso y disminuye la eficiencia del sistema. En lo posible, deberá evitarse almacenar energía y, en otras circunstancias, debería minimizarse su uso. Almacenar calor por un corto tiempo (por unas horas o por un par de días) es posible utilizando un buen tanque de almacenamiento. Los tanques de almacenamiento y el aislamiento son descritos en detalle más adelante. Por lo tanto, las fluctuaciones diarias pueden ser manejadas si se cuenta con un tanque. La mayor cantidad de energía es recibida sólo durante unas pocas horas, poco antes y después del mediodía. Por lo general, la demanda de calor tiene lugar durante la tarde o la noche, cuando el sol ya se ha ocultado. En estaciones de lluvia, puede haber una ausencia prolongada de sol. En caso de que sea necesario contar con suministro continuo de calor, se deberá aumentar
tanto la capacidad del tanque como el tamaño de los colectores solares. Normalmente el sistema debería estar diseñado de manera que se pueda cubrir tranquilamente un día sin luz solar. Por otro lado, no es posible almacenar calor por un período más largo (dos /tres días) porque el almacenamiento óptimo y, otras opciones son muy costosas. Por lo tanto, en algunas ocasiones se utiliza otra solución para nivelar fluctuaciones estacionales; por ejemplo, un calentador eléctrico.
2.2. RADIACION SOLAR EN UN LUGAR ESPECÍFICO ( INCLINACIÓN, ORIENTACIÓN) Tome en cuenta que las cifras utilizadas en la sección anterior dan cantidades de energía por m2 en una superficie horizontal. Muchos de los colectores solares están inclinados para captar mayor radiación solar. La cantidad óptima de energía se capta cuando el colector está inclinado en el mismo ángulo que el de latitud. Este debería ser de por lo menos 15º para asegurar que el agua de las lluvias drene fácilmente, lavando el polvo al mismo tiempo. A latitudes mayores (> 30o N ó S), los colectores están más inclinados sobre el ángulo de latitud para tratar de nivelar fluctuaciones por estaciones. Si los colectores solares están inclinados para optimizar la recolección de energía, o si circunstancias locales rigen cuál debe ser el ángulo óptimo, entonces la radiación promedio recibida deberá ser corregida utilizando un factor de inclinación.
Ejemplo: Para un lugar en el norte del Perú (latitud 0 – 5 o ), el factor de inclinación para un sistema de calentadores solares de agua orientados hacia el norte a un ángulo de 15° N es de 0.99 o menor. Esto es debido a que el ángulo óptimo sería de 5°. Pero para evitar que el polvo se asiente y para permitir un adecuado drenaje del agua, el ángulo mínimo deberá ser de 15°. Por lo tanto, la energía real recibida en el lugar sobre los colectores debe ser 0.99 veces la radiación sobre la superficie horizontal. Para otros ángulos de inclinación y lugares, el factor de inclinación puede diferir sustancialmente de 1, desempeñando un papel importante en la determinación del tamaño y optimización del sistema. Tome en cuenta que en este cuadro se supone que los colectores están mirando hacia la dirección correcta. Esto significa que en nuestro hemisferio (Sur), los colectores están mirando exactamente hacia el norte. Si éste no es el caso, uno debe utilizar factores de corrección similares a los de desviación de ángulo de inclinación óptimo. Se pueden utilizar compases o mapas de la ciudad para determinar la orientación correcta.
Hay circunstancias locales que impiden la correcta colocación de los colectores. Por ejemplo, los colectores deben acoplarse sobre un techo que no tiene la inclinación adecuada y que no está mirando exactamente al sol. En países cercanos al ecuador, las consecuencias de desviaciones de la inclinación óptima son poco importantes. El ángulo de inclinación es pequeño, así que los colectores solares normales (normal = línea haciendo ángulo de 90º con el colector) nunca se desvían mucho del ángulo promedio de incidencia sobre la radiación solar (que está cercana a la normal sobre la superficie de la tierra). Aún así, de ser posible, es mejor dejar que los colectores miren al sol.
