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1- Energía Solar Naturaleza de la energía
solar Constante solar Radiación solar Tipos de radiación solar2- Tipos de Energía Solar Energía solar activa Energía solar pasiva Energía solar térmica Energía solar fotoeléctrica Energía solar termoeléctrica Energía solar hibrida
3,4- Colección y Almacenamiento de la Energía Solar
3- Colectores Colectores planos Colectores concentradores Colectores fotovoltaicos4- Almacenamientos Sistemas pasivos Sistemas activos Por calor latente o capacidad calorífica Por calor latente o cambio de fase En estanques solares En reacciones químicas
5- Aplicaciones Reales y Potenciales de la Energía Solar
Calefacción de agua domestica Potabilización de agua Secado solar Refrigeración solar6- Energía Solar en el Perú Distribución anual Distribución estacional Energía solar en Arequipa
La energía solar como recurso renovable , esta constituida por la porción de luz solar que incide sobre la superficie terrestre
El sol es una esfera de gases a alta temperatura
Situada a 1.5x1011m, respecto a la tierra, esta distancia se conoce como unidad astronómica (ua)
1.2- CONSTANTE SOLAR La combinación de tres factores: distancia
Tierra-Sol, la temperatura y diámetro del Sol, determina un flujo luminoso que incide sobre la superficie terrestre
Este flujo luminoso, junto a las condiciones geométricas respecto a la tierra, dan como resultado la incidencia de radiación casi constante, de allí el nombre de constante solar
1.3- RADIACIÓN SOLAR Radiación solar es el conjunto de
radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol.
El Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a una temperatura de unos 6000 K
La radiación solar se distribuye desde rayos infrarrojos hasta los rayos ultravioletas.
Llamamos radiaciones ultravioleta (UV) al conjunto de radiaciones del espectro electromagnético con longitudes de onda menores que la radiación visible (luz), desde los 400 hasta los 150 nm.
Se suelen diferenciar tres bandas de radiación UV: UV-A, UV-B y UV-C.
UV-A.- Banda de los 320 a los 400 nm. Es la más cercana al espectro visible y no es absorbida por el ozono.
UV-B.- Banda de los 280 a los 320 nm. Es absorbida casi totalmente por el ozono, aunque algunos rayos de este tipo llegan a la superficie de la Tierra.
UV-C.- Banda de las radiaciones UV menores de 280 nm.. Este tipo de radiación es extremadamente peligroso, pero es absorbido completamente por el ozono y el oxígeno
- RADIACIÓN - RADIACIÓN ULTRAVIOLETAULTRAVIOLETA::
Estas ondas son absorbidas por la
parte alta de la atmósfera, especialmente por la capa de ozono. Es importante protegerse de este tipo de radiación ya que por su acción sobre el ADN está asociada con el cáncer de piel.
Sólo las nubes tipo cúmulos de gran desarrollo vertical atenúan éstas radiaciones prácticamente a cero.
El resto de lasformaciones talescomo cirrus, estratos
y cúmulos de pocodesarrollo verticalno las atenúan, porlo cual es importante
la protección aún endías nublados.
1.3.2- RADIACIÓN INFRARROJA: Su efecto aumenta la agitación de las moléculas,
provocando el aumento de la temperatura. El CO2 , el vapor de agua y las pequeñas gotas de agua que forman las nubes absorben con mucha intensidad las radiaciones infrarrojas.
La atmósfera se desempeña como un filtro ya que mediante sus diferentes capas distribuyen la energía solar para que a la superficie terrestre sólo llegue una pequeña parte de esa energía.
La parte externa de la atmósfera absorbe parte de las radiaciones reflejando el resto directamente al espacio exterior, mientras que otras pasarán a la Tierra y luego serán irradiadas
Esto produce el denominado balance térmico, cuyo resultado es el ciclo del equilibrio radiante.
No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera fundamentalmente por el ozono.
La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la Irradiancia, que mide la energía que por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m² (vatio por metro cuadrado).
1.4- Tipos de radiación La radiación sufre diferentes cambios, al incidir
sobre la atmosfera terrestre, por lo que se generan distintos tipos de radiaciones
1.4.1- Radiación directa: Es aquella radiación que no sufre ningún tipo de
dispersión atmosférica
• 1.4.2- Radiación difusa:Es aquella que llega a la tierra después de haber
sido desviada por dispersión atmosférica, esta radiación se recibe a través de las nubes, provenientes del cielo azul, en caso de que no existiese esta desviación, el cielo se vería de color negro como sucede en la luna
1.4.3- Radiación terrestre: Esta radiación es proveniente de la
objetos, como una pared blanca, un lago, etc.
1.4.4- Radiación total: Es la suma de las tres radiaciones
anteriores
La energía solar esta dividida por su tecnología y el uso de estas:
2.1- Energía solar activa Para uso de baja temperatura entre los 35-60
grados , es utilizada mayormente en las casas Para uso de temperatura media alcanza
temperaturas de 300grados Para uso de temperatura alta pueden
alcanzar temperaturas de 2000grados, usados para espejos parabólicos, centrales de torre, etc.
2.2- Energía solar pasiva: Aprovecha el calor sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos2.3- Energía solar térmica: Utilizado para producir agua caliente, con fines de uso sanitario y calefacción
2.4- Energía solar fotovoltaica: Utilizado para producir energía eléctrica
mediante celdas o células fotoeléctricas
- célula fotoeléctrica: Una célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o célula fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico
2.5- Energía solar termoeléctrica: Usado para producir electricidad mediante un ciclo termodinámico, a partir de un fluido a alta temperatura
2.6- Energía solar hibrida: Combinación de la energía solar , con otra energía; según la energía con la que se mezcla puede estar dividida en:Renovable: biomasa, energía eólicaNo renovable: combustible fósil
3- Colectores Planos Concentradores4- Almacenamiento Sistemas pasivos Sistemas activos Por capacidad calorífica Por calor latente o cambio de fase En estanques solares Por reacciones químicas
3- Colector: Un colector solar es una especie de
intercambiador de calor que transforma la energía radiante en calor y electricidad
La transferencia de energía se hace desde una fuente radiante (sol), hacia un fluido (agua o aire), que circula por los ductos o tubos del colector, para generar energía eléctrica es necesario el uso de un regulador, batería e inversor
3.1- Colector solar plano: Son los mas comunes Pueden ser diseñados y utilizados en
aplicaciones donde se requiere que la energía sea liberada a bajas temperaturas , debido a que las temperaturas de este colector difícilmente llega a los 100ºC
Existen diferentes tipos de colectores planos , pero básicamente se dividen en colectores usados para calentamiento de líquidos y gases
Las ventajas del uso de este tipo de colectores es que estos utilizan la energía solar directa y difusa, no requieren movimiento continuo para dar seguimiento al sol , prácticamente no necesitan mantenimiento y son mecánicamente mas fáciles de construir
Las principales aplicaciones de este tipo de colectores se dan en el calentamiento de agua, para uso domestico e industrial, acondicionamiento calorífico y secado de frutas y granos
3.2- Colector solar concentrador
Los colectores concentradores, son creados por la necesidad de obtener temperaturas mayores a los 100ºC, generalmente para uso industrial
Esto se puede lograr disminuyendo el área de perdida de calor, además de interponer un dispositivo óptico entre la fuente de radiación (sol) y la superficie absorvedora
Los colectores solares pueden llegar a temperaturas de 100ºC-500ºC cuando son rudimentarios, de 500ºC-1500ºC cuando el sistema óptico tiene un buen acabado y de 1500ºC-3500ºC cuando el sistema óptico es optimo
Los colectores concentradores deben orientarse continuamente, pues estos solo utilizan la energía solar directa
3.3- Colectores fotovoltaicosExiste una aplicación no fototérmica de mucha
importancia que consiste en la producción de electricidad a partir de la radiación solar mediante celdas solares o paneles fotovoltaicos
los procesos fotovoltaicos transforman una energía primaria (energía solar), en electricidad de modo directo, sin transformaciones intermedias como en otras formas de energía
3.3.1- Principios de operación y características
Efecto fotovoltaico: Si mediante algún procedimiento se crea en el
interior de un material un campo eléctrico permanente, las cargas positivas y negativas son separadas por el, esta separación conduce al establecimiento de diferencia de potencial de dos zonas y si son conectadas entre si mediante un circuito externo darán origen a una corriente externa, esto es conocido como el efecto fotovoltaico
3.3.2- Estructura de un generador fotovoltaico:
La estructura de un generador es variable según la aplicación a la que esta destinado
Los generadores fotovoltaicos están generalmente constituidos por
El panel fotovoltaico: donde la energía es convertida en corriente continua
El regulador-conversor electrónico El subsistema de almacenamiento:
generalmente son baterías electroquímicas
3.3.3- Tipos de generadores fotovoltaicos
Autónomos: Que constituyen una fuente de energía eléctrica
independiente de la red general de electricidad y por lo tanto necesitan de una fuente de almacenamiento
No autónomos: Que operan en conjunto con dicha red y pueden
prescindir de un sistema de almacenamiento
3.3.4- Aplicaciones de los sistemas fotovoltaicos
Desde un punto de vista histórico las celdas fotovoltaicas fueron creadas para los satélites artificiales, la idea era de alimentar los equipos de toma de datos de forma autónoma
Para las aplicaciones terrestres, el factor condicionante era la economía, lo que genero una carrera por hallar nuevas tecnologías y abaratar costos desde los años 1972-1973
Las aplicaciones terrestres mas comunes son:
*Electrificación rural de viviendas aisladas *Comunicaciones desde un lugar aislado *Agudas en la navegación
Transporte terrestre Agricultura y ganadería Aplicaciones a la industria Difusión de la cultura en zonas aisladas
4- Almacenamiento de energía
La energía solar es intermitente debido al movimiento de rotación y traslación , además de las condiciones meteorológicas de cada lugar, en muchas ocasiones no coincide la necesidad con las disponibilidad por lo que se generan dispositivos de almacenamiento de la energía
4.1.1Sistemas pasivos
Se usan generalmente en el acondicionamiento calorífico de edificios, estos colectores se encuentran incorporados en las estructuras como: pisos, paredes, recipientes con agua, techos, etc.
4.1 SISTEMAS DE ALMACENAMIENTO DE LA ENERGÍA SOLAR
Densidad y calor especifico de algunos de los materiales mas usados en la construcción
Agua 1000 4,186
Acero 7853 0,500
Roca o piedra 2724 0,880
Concreto 2244 0,960
Ladrillo 2244 0,840
Arena 1522 0,800
Pino 433 2,800
Arcilla 1010 0,920
Material Densidad kg/m3 Calor especifico KJ/ KgºC
4.1.2- Sistemas activos: La característica principal es que estos
sistemas utilizan un fluido de trabajo en movimiento , puede ser agua, aire, aceites, etc.
Los principales componentes que intervienen en este sistema son: el colector solar, la unidad de almacenamiento, sistemas de conversión y control y el lugar donde se hace la descarga de energía
4.1.3- Almacenamiento por calor latente o capacidad calorífica
*Diversos tipos de líquidos, sólidos y combinaciones de estos pueden almacenar energía por cambios de temperatura
*Esta energía almacenada es igual al cambio de la energía interna que sufre el material al cambiar de temperatura, y este es igual al calor sensible
Existen dos tipos de almacenamiento, en agua y en piedras o rocas
4.1.3.1- Almacenamiento en agua El agua es el medio ideal para el
almacenamiento tanto en sistemas pasivos como en activos, debido a su alta capacidad calorífica.
Una de las ventajas de usar este medio es que el transporte de energía se hace a través de la misma agua
Una de las desventajas de usar este medio es la de utilizar tanques de almacenamiento que generalmente son grandes y caros
4.1.3.2- Almacenamiento en piedras o rocas
Las rocas o piedras también son un buen medio de almacenamiento
En sistemas activos se utilizan generalmente lechos de piedras enterrados o lechos empaquetados
El fluido para este medio de almacenamiento es el aire
A pesar de que las rocas no tienen un alto índice de calor especifico, son buenos por su gran densidad, son de bajo costo, tienen baja conductividad térmica y no tienen problemas de corrosión
4.1.4- Almacenamiento por calor latente o cambio de fase
La energía empleada por una sustancia para cambiar de fase es mucho mayor a la necesaria para variar su temperatura en un mismo estado
Esto es fundamental para pensar que se puede utilizar el cambio de fase de una determinada sustancia para almacenar energía
La idea es que una sustancia absorba energía solar de forma directa o inducida, esta energía se encuentra latente dentro de la sustancia para posteriormente ser cedida al regresar al su fase anterior
4.1.5- Almacenamiento en estanques solares
Un estanque común de agua puede es capaz de captar gran cantidad de energía durante todo el año, pero la temperatura del agua permanece bajar pues hay grandes perdidas de energía por radiación, convección y evaporación
Uno de los métodos para evitar la perdida de esta energía es la utilización de agua salada en los estanques, el aumento de densidad debido a la presencia de sales evita el efecto de convección, de esta forma se genera un incremento de temperatura en el fondo del estanque
4.1.5- Reacciones químicas La energía solar también puede ser
almacenada mediante reacciones químicas, estas deben ser reacciones químicas endotérmicas reversibles, que se invierten cuando se requiere que la energía sea liberada
Los requerimientos para que una reacción sea usadas como medio de almacenamiento son:
1- Que la reacción sea reversible 2-Que las reacciones puedan hacer
uso del espectro solar 3- La energía almacenada en la
reacción debe ser grande, como mínimo 600 w-h/Kg.
4- Que los reactivos sean económicos
5.1-Calefaccion de agua
domestica
5.2- Potabilizacion de agua
5.3- Secado solar
5.4- Refrigeracion solar
5.1- Calefaccion de agua domestica Una de las mayores aplicaciondes de la energia
solar es para calefaccion de agua domestica Dentro de los principios de funcionamiento,
se requieren por lo menos un colector y un almacén
Los tipos básicos de calentadores domésticos son:
5.1.1- Calentador solar auto contenido
Esto es uno de los calentadores solares mas simples.
El calentador autocontenido, es un recipiente dispuesto de tal manera que presenta su mayor área hacia la posición promedio del sol.
Esta cara se pinta de negro y hace las veces de colector solar, el tanque se llena de agua y esta se calienta por contacto con la cara expuesta.
El nombre autocontenido, viene de que el mismo sistema presenta funciones de colector y almacén.
5.1.2- Calentador solar por convección natural
Un siguiente paso en la evolución es las de separar el colector del almacén, con la finalidad de trabajar en cada uno de estos para lograr una mejor eficiencia en su función
En este esquema, el agua es calentada dentro del colector en los tubos o placas, para luego ser transferido al termo de almacenamiento
El agua puede ser transferida por convección natural o convección forzada
5.1.3- Calentador solar de convección forzada
Para este tipo de colector es necesario el uso de una bomba que haga circular el agua entre el colector y el termo, con esto se evita que el colector y el termo estén a una misma temperatura con el fin de evitar perdidas de calor en zonas frígidas
5.2- Potabilización de agua
Mediante el uso de energía solar, es posible producir agua potable usando como base agua contaminada
Para eliminar agente patógenos que puedan estar presentes en el agua es necesario calentar el agua hasta temperaturas de 50-60 grados, y mantener por un periodo relativamente corto la temperatura
5.2.1- Destilador de caseta solar Estos son los destiladores solares mas
comunes y simples del mercado Los elementos que conforman esta caseta
solar son: *Colector solar *Evaporador *Cámara de aire *Condensador
5.3- Secado solar
Muchos productos agrícolas necesitan un secado post-cosecha para su adecuada conservación hasta llegar a los centros de consumo
La utilización de combustibles para el secado, ha ido perdiendo auge debido a su alto costo
Otra forma de secado es la exposición a radiación solar, pero en este proceso se pierden grandes cantidades de cosecha debido a las lluvias
Se opta por un secado a base de energía solar, pues el costo es relativamente bajo en comparación al uso de combustible y hay menos perdidas por efectos de la lluvia
El proceso de secado consiste en extraer pequeñas cantidades de agua para evitar el desarrollo de microorganismos que provocan descomposición
5.4- Refrigeración solar
Uno de los métodos mas antiguos de refrigeración se basa en la fusión del hielo o nieve que a presión 1atm tiene temperatura 0ºC
El hielo se coloca en el espacio sobre los objetos que quieran refrigerar o enfriar, según la segunda ley de la termodinámica, el calor fluirá de la mayor temperatura hacia la de menor temperatura, de manera que los objetos son enfriados
Los sistemas de refrigeración que mas se utilizan son sistemas de refrigeración por compresión y por absorción
Estos sistemas se basan en la evaporación o gasificación de un liquido a baja presión, al igual que un liquido absorbe calor para pasar a estado solido, un liquido también absorbe calor para pasar al estado gaseoso
Tanto el sistema de refrigeración por compresión o absorción pueden ser adaptados para utilizar energía solar
6.1-Distribucion anual A nivel anual, la zona de mayor potencial de
energía solar del territorio peruano se encuentra principalmente en la costa sur (16° a 18° S), donde se dispone de 6,0 a 6,5 kW h/m2.
Otras zonas en las que se registra alta disponibilidad de energía solar diaria, entre 5,5 a 6,0 kW h/m2 son la costa norte (3 a 8° S) y gran parte de la sierra sobre los 2 500 msnm,
Siendo en orden de importancia en cuanto a su extensión superficial: la sierra sur, la sierra central y la sierra norte.
La zona de bajos valores de energía solar en el territorio es la selva, donde se registran valores de 4,5 a 5,0 kW h/m2 con una zona de mínimos valores en el extremo norte cerca del ecuador ( 0° a 2° S).
Asimismo, es importante acotar que la mayor variación anual (desviación estándar) de los valores de energía solar recibida en la superficie está en la costa sur, seguido en orden de magnitud por la costa central, selva norte, costa norte y sierra sur.
Las zonas de menor variación anual son la selva central y sur, la sierra central y parte de la sierra norte.
6.2- Distribución estacional Durante el verano austral (diciembre a
marzo) el sol se encuentra irradiando el hemisferio sur con mayor intensidad, sin embargo, este hecho no se traduce en los mapas, especialmente en la parte norte y central de la sierra y selva (0 a 10° S y 70 a 79° W), las mismas que presentan valores relativamente bajos de energía solar, no obstante la considerable altitud de las zonas montañosas que determinan una menor absorción de la irradiación al atravesar un menor espesor atmosférico.
Esto se debe a la interacción de los principales controladores climáticos tales como el Sistema de Alta presión del Océano Pacífico Sur (APS), el Sistema de Alta presión del Atlántico Sur (AAS);la Alta de Bolivia y la Cordillera de los Andes, determinan la llegada y/o formación en el territorio peruano de sistemas nubosos que originan las lluvias en esta época («época lluviosa»), lo que genera una sustancial disminución de la transmisividad atmosférica sobre toda esta región.
Durante el invierno la energía solar recibida disminuye en general en todo el territorio debido a que el sol se encuentra irradiando más intensamente el hemisferio norte (solsticio de invierno).
En primavera, el sol inicia su retorno en su marcha aparente hacia el hemisferio sur, determinando disminución de la humedad atmosférica en este hemisferio
Esto provoca la ausencia de nubosidad y de lluvias (condiciones de estiaje o estación seca) en la sierra norte y central por lo que la transmisividad de la atmósfera alcanza sus máximos valores, registrándose consecuentemente los valores más altos de energía solar diaria recibida en esta región (noviembre).
Asimismo, la región de selva alcanza también sus mayores valores en este mes, especialmente la selva norte.
La región Arequipa es una de las zonas del país con mayor irradiación solar lo que hace que se pueda aprovechar para aplicaciones de energía solar térmica y foto voltaica. Al presente se tienen instaladas aproximadamente solamente en la ciudad 38 000 termas solares para uso doméstico que anualmente representan 61,174 Mwh de energía eléctrica no generada y un ahorro aproximado de 20 millones de soles para los usuarios. La energía F-V tiene gran potencial , pudiendo utilizarse en aplicaciones de variada potencia desde pequeños usuarios hasta industriales
Gracias por su atención