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CAPACITACIÓN PARA LOS ESTADOS MIEMBROS DE LA
CURSO CAPEV 2011
CURSO DE CAPACITACIÓN VIRTUAL:
PERSPECTIVA DE LA ENERGÍA SOLAR TÉRMICA PARA EL
CALENTAMIENTO DE AGUA EN AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE
Dr. Oscar Alfredo Jaramillo Salgado
Centro de Investigación en Energía. Universidad Nacional Autónoma de México
[email protected]
5 de abril 2011
Relación entre el uso del energía y su
impacto ambiental y los sistemas de
energías renovables.
El recuso solar.
Fuentes de energía
Para efectos prácticos la energía de todos los suministros pueden dividirse en dos
clases:
Energías renovables. 'Energía obtenida de las corrientes naturales y persistentes de la
energía que se producen en el entorno inmediato'. Un ejemplo evidente es la energía
solar, donde 'repetitivas' se refiere al período mayor de 24 horas. Tenga en cuenta que
la energía ya está pasando por el medio ambiente como una corriente o flujo,
independientemente de que exista un dispositivo para interceptar y aprovechar este
energía. También puede ser llamada energía verde o energía sostenible.
Energía no renovable. 'Energía obtenida de fuentes estáticas de energía que
permanecen subterráneas antes de la interacción humana'. Algunos ejemplos son
combustibles nucleares y combustibles fósiles de carbón, petróleo y gas natural. Tenga
en cuenta que la energía es inicialmente un potencial energético aislado, y una acción
exterior es necesaria para iniciar el suministro de energía para fines prácticos. Para
evitar el uso de la palabra desgarbada no renovable, dichos suministros de energía se
denominan suministros finitos o energía cafe.
Fuentes de Energía en el mundo
Proyecciones Futuras de las energías
Objetivo sostenible en el crecimiento de la demanda energética primaria mundial
geotermia
otras renovables
Solar térmica (solo calor)
Potencia solar
(FV + Solar térmico)
Viento
Biomasa avanzada
Biomasa tradicional
Hidro electricidad
Potencia nuclear
Gas
Carbón
Petróleo
Source: German Advisory Council on
Global Change, 2003, www.wbgu.de
Año
Energía Solar, un recurso inagotable
La energía solar
recibida cada 10 días
sobre la Tierra
equivale a TODAS las
reservas conocidas
de petróleo, carbón y
gas.
El 70% de la
población del
planeta vive dentro
de la denominada
“Franja Solar”.
40 N
35 S
Energía Termosolar en operación: finales
2007
Totales
146.8 GWt
209 millones de m2
Potencia GWt
•
•
•
•
•
•
Captadores planos c/cubierta: 46.39
Tubos evacuados:
74.11
SubTotal 120.50
Sin cubierta de plástico:
25.10
Captadores para aire:
1.20
Total 146.80
Superficie, 106 m2
66.30
105.90
172.20
35.80
1.70
209.70
Captadores solares planos y evacuados
Liderazgo mundial: 2007
(GWt)
•
•
•
•
•
China
79.9
Turquía 7.1
Alemania 6.1
Japón
4.9
Israel
3.5
China en el período de 2006 al 2007
aumento su mercado en 2%
•
•
•
•
•
Brasil
2.51
Grecia
2.50
Austria
2.1
Estados Unidos 1.7
India
1.5
Capacidad total de captadores solares para agua en operación en los 10 países
líderes al final de 2007
Cálculo de la producción y correspondiente equivalente de petróleo, así
como la reducción de emisiones de CO2 para todos los sistemas solares
(agua caliente, calentamiento de espacios y de piscinas) al final de 2007
País
Área total
de
captador,
m2
Capacidad
total
MWt
Número de
sistemas
calculado
Producción
del
captador
GWt/año
Producción
del
captador,
TJ/año
Ahorro de
energía y
equivalente
de petroleo
(t/año)
Reducción
de CO2
Fuente: IEA-SHC, 2009. Solar Heat Worldwide. Markets and Contribution to the Energy Supply 2007-
Cálculo de la producción y correspondiente equivalente de petróleo, así
como la reducción de emisiones de C02 para todos los sistemas solares(
agua caliente, calentamiento de espacios y de piscinas) al final de 2007
País
Área total
de captador,
m2
Capacidad
total
MWt
Número de
sistemas
calculado
Producción
del captador
GWt/año
Producción
del
captador,
TJ/año
Ahorro de
energía y
equivalente
de petroleo
(t/año)
Reducción
de CO2
Fuente: IEA-SHC, 2009. Solar Heat Worldwide. Markets and Contribution to the Energy Supply 2007-
Tierra recibe en el exterior de su atmósfera un total de 174,423x109 kWh , o sea
1,353 kW/m2, que se conoce como constante solar y cuyo valor fluctúa en un ±3%
debido a la variación periódica de la distancia entre la Tierra y el Sol.
La energía solar recibida
cada 10 días sobre la Tierra
equivale a todas las
reservas conocidas de
petróleo, carbón y gas.
Movimiento aparente del Sol
La Tierra, en su movimiento alrededor del
Sol, describe una órbita elíptica, de escasa
excentricidad, de forma que la distancia
entre el Sol y la Tierra varía
aproximadamente un ± 3%.
La distancia media Tierra-Sol es: d = 149
millones de Km. En el solsticio de verano, la
Tierra está alejada una distancia del Sol
máxima: dmáx = 1,017 d. En el solsticio de
invierno, la Tierra se halla a la distancia
mínima del Sol: dmin = 0,983 d
Dominio espectral
m
Potencia
W m-2
%
Ultravioleta (0.115
– o.405)
128.70
9.41
Visible ( 0.405 –
0.740)
564.70
41.30
Infrarrojo ( 0.74 –
2.0 )
582.47
42.60
( 2.0 – 5.0 )
84.49
6.18
( 5.0 – 1000 )
6.64
0.48
1367.00
100
Total
La radiación solar que llega a la superficie de la tierra tiene una potencia de
G < 1000 W/m2
Albedo solar
Regiones oceánicas con poca
nubosidad tienen albedos bajos,
mientras que los desiertos tienen
albedos con valores del orden de 30%
a 40%. El albedo del suelo en general
está comprendido entre el 10% y el
30%, el barro húmedo baja su valor
hasta un 5 %, en el caso de arena
seca eleva su valor a un 40%. El
albedo de los sembrados y bosques
está entre 10 y 25% y la nieve
reciente alcanza un valor de 80 a
90%.
SUPERFICIE
ALBEDO %
Nieve fresca
80–85
Arena
20-30
Pasto
20-25
Bosque
5-10
Suelo seco
15-25
Agua (sol cerca del
horizonte)
50-80
Agua (sol cerca del
cenit)
3-5
Nube gruesa
70-80
Nube delgada
25-30
Tierra y atmósfera
global
30
Sensores de radiación
•
Los sensores de radiación son dispositivos cuyos materiales de construcción sufren
un cambio en la temperatura o en alguna propiedad eléctrica , cuando incide en
ellos un flujo radiativo característico, clasificándose en sensores de radaiación de
tipo térmico y en fotodetectores.
•
Sensores térmicos.
La absorción de la radiación solar provoca una elevación directa de la temperatura
en los materiales y esto puede provocar también un cambio en las propiedades
eléctricas debido al cambio en la temperatura. Se clasifican en calorimétricos,
termopares y termopilas, bolómetros y piroeléctricos.
•
Sensores calorimétricos.
Existen varios tipos, en los cuales se relaciona la cantidad de energía radiante
incidente sobre la superficie del sensor con la elevación de la temperatura sea en
un flujo de agua, en un disco metálico o en un gas encerrado, observándose en este
último el cambio en la presión interior. En general su construcción es simple, pero
la respuesta es lenta.
•
•
Sensores termopares o termopilas.
La radiación incidente provoca una diferencia en temperaturas entre una junta de
dos metales diferentes y una junta de referencia, produce una fuerza electromotriz
a través de la junta bimetálica. La cantidad de fuerza electromotriz producida
depende del tipo de material, siendo pequeña para un solo termopar, lo cual
dificulta su medición exacta. Lo anterior se puede solucionar si se aumenta el
voltaje, por medio de conectar un número determinado de termopares en serie,
produciendo una termopila, amplificando con esto la señal eléctrica producida.
Bolómetros.
La radiación incidente puede provocar un cambio en la resistencia eléctrica de un
metal o de un semiconductor debido al incremento en la temperatura.
Normalmente se cuenta con un circuito eléctrico formado por dos resistencias A y
B, las cuales son los brazos de un puente de Wheanstone. Si la resistencia A se
expone a la radiación y la resistencia B se sombrea, la diferencia relativa en
temperatura entre ellas, provoca un desbalance en el puente. Por medio de un
calibración este desbalance puede interpretarse en términos de flujo de energía
radiante incidente sobre el elemento expuesto. Los diferentes tipos de bolómetros
dependen del material de la resistencia eléctrica el cual puede ser un metal, un
semiconductor o un superconductor. El cambio en la resistencia eléctrica con la
temperatura es mas grande para materiales semiconductores que para los
metales.
•
Sensores piroeléctricos.
La radiación absorbida por un cristal piroeléctrico produce calor, lo que altera los
espaciamientos en el cristal, causando un cambio en la polaridad eléctrica
espontánea del cristal. Si se conectan electrodos en la superficie del cristal a través
de un circuito externo, la corriente generada es proporcional a la rapidez de
cambio de la temperatura en el cristal. En este tipo de sensor es necesaria la
modulación de la radiación incidente para poder operar el sistema. Se tiene una
extremada alta sensibilidad espectral ( 0.2 a 1000 m) y una rápida respuesta ( 0.5
a 5seg.).
•
Sensores fotodetectores.
Este principio de medición esta basado en la interacción fotón-materia. Existen tres
tipos principales: los fotovoltaicos, los fotoconductivos y los fotoeléctricos.
•
Sensores fotovoltaicos.
Son los fotodetectores mas simples, los cuales producen voltajes medibles sin el
suministro de potencia externa, cuando se iluminan por medio de radiación visible
o cercano infrarrojo. Normalmente se utilizan materiales semiconductores como el
silicio monocristalino, cristalino y amorfo, arsenuro de galio e indio, sulfuro de
cadmio, etc.
•
Sensores fotoconductivos.
Los sensores fotoconductivos son por lo general fotoceldas con una respuesta
espectral correspondiente al infrarrojo y en las cuales la conductancia eléctrica del
material varía con el flujo de la radiación incidente. En este caso se requiere de un
enfriamiento y se tiene una cierta complejidad en los sistemas de medición .
Sensores de radiación
• Sensores fotoeléctricos.
En el caso de los sensores fotovoltaicos y fotoconductivos, los electrones se
deslocalizan de las moléculas por medio de los impactos con fotones, permaneciendo
dentro del material y produciendo un cambio en el voltaje o en la conductancia del
material. En el caso del principio fotoeléctrico, los electrones son extraídos del
material. En este efecto, los electrones están en el espacio libre y pueden colocarse en
un ánodo produciendo un flujo de corriente a través del detector o subeyectando a
altas intensidades de cambio magnético y ser acelerados a una segunda etapa para
eyectar mas electrones. Estos segundos electrones pueden acelerar a un tercer nivel.
Se puede contar con mas de 14 etapas, obteniéndose una cascada de electrones por
cada fotón incidente ( 106 ), obteniéndose altas sensibilidades con un
fotomultiplicador o foto tubo multiplicador de electrones con un factor de
multiplicación de 106 . Estos detectores sólo se aplican al dominio ultravioleta, visible
y el muy cercano infrarrojo. A parte de la sensibilidad espectral y eficiencia cuántica,
los tubos fotomultiplicadores varían en tamaño, orientación del cátodo, factor de
amplificación y en el número de etapas.
•
Instrumentos de medición de la radiación solar y
terrestre
Pirheliómetro.
Instrumento para medir la intensidad de la radiación solar directa a incidencia
normal, con o sin seguimiento de la trayectoria solar.
•
Piranómetro.
Instrumento para la medición de la radiación solar global recibida sobre todo el
hemisferio. El piranómetro puede utilizarse también para medir la cantidad de
radiación solar que llega en forma difusa sobre un superficie. Para esto se coloca
una banda que permite con cierta exactitud el sombreado permanente del
elemento sensor.
•
Pirgéometro.
Instrumento para medir la radiación neta emitida por la atmósfera sobre una
superficie horizontal enegrecida viendo hacia arriba a temperatura ambiente.
•
Pirradiómetro neto.
Instrumento para la medición del flujo de radiación total neto hacia arriba y hacia
abajo ( radiación solar, radiación terrestre y radiación atmosférica) sobre una
superficie horizontal. También se le conoce con el nombre de balanza
pirradiométrica.
•
Albedómetro.- Para medir la radiación difusa, o radiación del cielo, se adapta al
piranómetro una pantalla destinada a ocultar la radiación solar directa, de
forma que no se esconda una parte importante del cielo. Se puede utilizar un
disco móvil dotado de un movimiento ecuatorial, en el que la sombra se
proyecta permanentemente sobre la superficie sensible del piranómetro, o
también se puede adaptar una banda parasol que se desplaza manualmente a
lo largo del año. Se necesita una corrección para tener en cuenta la radiación
difusa interceptada.
•
Pirradiómetro diferencial o bilanmetro.- Estos aparatos, muy delicados, miden
la diferencia entre las radiaciones dirigidas hacia el suelo y hacia el espacio y
permiten establecer dos balances radiativos. Poseen una doble superficie
sensible, una vuelta hacia arriba y la otra hacia abajo. Están destinados a medir
radiaciones de longitud de onda comprendidas entre 0,3 μm y 100 μm,
mediante detectores térmicos (termopilas de doble cara) protegidos por una
cúpula de polietileno especial, transparente hasta 15 μm y barridos por una
corriente de nitrógeno para evitar las condensaciones que falsearían las
medidas a causa de la absorción de radiación infrarroja por el agua
Sensores de radiación
Radiación solar global y difusa:
piranómetros
El piranómetro es el instrumento más
usado en la medición de la radiación
solar semiesférica global y difusa
sobre una superficie horizontal en un
ángulo de 180 ° tiene instalado una
cúpula de vidrio óptico transparente
que protege el detector, permite la
transmisión isotropica del componente
solar y sirve para filtrar la radiación
entre las longitudes de onda que
oscilan aproximadamente entre 280 y
2.800 nm. Un piranómetro
acondicionado con una banda o disco
parasol, que suprime la radiación
directa, puede medir la radiación
difusa.
Clasificación y características de los piranómetros
Características
Patrón
Secundario
1ª Clase
2ª Clase
Sensibilidad (W/m-2)
1
5
 10
Estabilidad (% año)
 0.8
 1.8
3
Temperatura (%)
2
4
8
Selectividad (%)
2
5
 10
Linearidad (%)
 0.5
1
3
Constante de tiempo.
< 15s
< 30s
< 60s
Respuesta coseno (%)
 0.5
2
 5