Energía solar térmica ⭕️

Energía solar

El Sol es la mayor fuente de energía de la que dispone el ser humano, el aprovechamiento de la energía solar cada vez es una opción más rentable y real. La luz del sol incide en nuestro planeta cada día, esta irradiación varia dependiendo de la situación de cada país. En España la media de irradiancia por hora es de 1.300 W/m², aunque puede variar dependiendo de la latitud o de las condiciones atmosféricas.

Esta radiación solar ha sido utilizada desde hace miles de años por medio del calor que esta produce, hoy en día se canaliza esta energía solar para producir calor o generar electricidad mediante células fotovoltaicas, de esta forma disponemos de una de las energías renovables no contaminantes.

Los principales problemas con los que nos encontramos son las fluctuaciones y variaciones a las que nos enfrentamos por ejemplo en invierno, cuando la energía solar es mas necesaria las radiaciones solares son menos intensas.

Tecnologías usadas para el aprovechamiento de esta energía son variadas:

• Energía solar pasiva: es el aprovechamiento de la energía solar de forma directa, sin transformarla.

• Energía solar térmica: producción de agua o aire caliente para su uso en el hogar o la industria.

• Energía solar fotovoltaica: producción de electricidad con placas fotovoltaicas.

• Energía solar termoeléctrica: transmitiendo el calor a un fluido y después de un ciclo mecánico se transforma en electricidad.

• Energía solar híbrida: es la combinación de la energía solar con otra energía.

Centrales solares termoeléctricas

Mediante las Centrales Solares Termoeléctricas (CET) podemos conseguir un aporte considerable de electricidad no contaminante a medio plazo, ya que en las tecnologías no contaminantes primero hay que generar una energía igual a la energía gastada en fabricar todos los materiales de los que la central termoeléctrica esta compuesta. Suponiendo que en el proceso de fabricación de estos materiales se haya usado algún tipo de energía no renovable.

Esta tecnología solar termoeléctrica emplea la radiación solar incidente sobre la superficie de un captador para calentar un fluido que circulará posteriormente por una etapa de turbina, el vapor producido se empleará entonces para mover estas turbinas y generar electricidad.

Actualmente se usan concentradores solares por reflexión para alcanzar las altas temperaturas necesarias en los ciclos termodinámicos. En las centrales termoeléctricas suelen usarse principalmente tres sistemas de concentración solar por reflexión:

Concentradores cilindro-parabólicos
Estos concentradores siguen al sol en un solo eje y transmiten esta radiación a un tubo situado en el centro de la parábola, su capacidad de concentración es de 30 a 80 veces.
Cilindro parabolicos

Sistemas de torre o de receptor central
Consisten en un campo de espejos helióstatos que siguen la posición del Sol en dos ejes y dirigen el rayo reflejado a un receptor que se sitúa en la parte superior de la torre, la concentración de estos helióstatos es de 200 a 1.000 veces.
Sistema de torre Torre termoelectrica

Discos parabólicos o discos stirling
Estas unidades independientes que siguen al sol en dos ejes, reflejan el calor en un motor Stirling que se sitúa en la parte central del foco. Su capacidad de concentración es entre 1000 y 4000 veces, generando una potencia por unidad que puede variar de 5 a 25 kW.
Discos parabolicos

Horno solar de Odeillo

La situación de este centro de investigación es la comuna de Font-Romeu-Odeillo-Via, en el departamento de los Pirineos Orientales, al sur del país ya que en este punto la insolación que se recibe durante todo el año es excepcional.

El horno solar de Odeillo es uno de los dos mayores hornos solares del mundo, con una potencia térmica de 1000 kW pudiendo alcanzar temperaturas mayores de 3.000°C. Funciona por concentración de los rayos solares mediante 9600 espejos reflectantes que hacen una doble reflexión. Una primera serie de filas de espejos orientables (63 en total) y situados sobre una ligera cuesta, recogen los rayos solares y los transmiten hacia una segunda serie de espejos «concentradores» que forman la enorme parábola en el edificio principal. Los rayos convergen a continuación hacia la zona superior del edifico central que los concentra sobre un objetivo, una superficie circular de 40 cm de diámetro.

Funcionamiento:

El horno solar de Odeillo es un laboratorio de investigación del CNRS conjuntamente con la Universidad de Perpiñán especializado en estudios térmicos a alta temperatura, los sistemas termoportadores, la conversión de la energía, el comportamiento de los materiales a alta temperatura en medio ambiente extremo, permitiendo además hacer experimentos en un ambiente con condiciones de gran pureza química .
Los ámbitos de investigaciones se extienden también a las industrias aeronáuticas, aeroespaciales, entre varias, comprobando materiales que puedan estar sometidos a radiaciones solares más intensas al cruzar las diferentes capas atmosféricas e incluso en condiciones espaciales.

Fuente: Wikipedia

Aplicaciones industriales

La energía solar térmica en el campo de la industria tiene multitud de aplicaciones, ya que el agua caliente tanto a altas temperaturas como a bajas temperaturas se usa en multitud de procesos como el calentamiento de baños líquidos para ciclos de lavado, calentamiento de aire en fases de secado, tintado, cocción, limpieza, generación de vapor de baja presión, tratamientos químicos, etc.
Estos procesos que aprovecharían la energía del sol para calentar el agua están implantados en industrias como , la papelera, alimentaría, textil y química.

También se aplica la energía solar térmica en el campo de la desalinización de agua marina, ahorrando grandes cantidades de combustibles fósiles y las emisiones de CO2 que estos producían.

Los hornos solares también están presentes en la industria en forma de un conjunto de heliostatos que se mueven con el sol y reflejan las radiaciones en un foco, que puede alcanzar temperaturas de 3000ºC y que posteriormente servirá para medir la resistencia de materiales metálicos y cerámicas, en la obtención de fibras de alta dureza, para probar reacciones químicas o incluso en el campo aeroespacial. Ayudando de esta forma a los avances en la termomecánica.
Horno solar

Refrigeración con energía solar

Los sistemas de refrigeración por energía solar térmica, pueden ser una de las mejores opciones para mantener una casa climatizada y confortable sobretodo si las combinamos con las necesidades de calefacción que tenga nuestro hogar. No debemos olvidar tampoco que cada año hay mas demanda de electricidad en épocas veraniegas, provocando peligrosos picos de consumo que en ocasiones terminan por quemar los transformadores que proporcionan esa energía a las viviendas.

La necesidad de parar las emisiones a la atmósfera de CO2, HCFC y CFC están haciendo incrementar este tipo de refrigeración, lo que a su vez ha hecho crecer la oferta y calidad de los equipos que nos ofrecen la oportunidad de aprovecharnos de una energía inagotable como es la solar.

Para conseguir una refrigeración solar necesitamos en primer lugar unos captadores o colectores solares capaces de producir energía solar térmica de baja o media temperatura, para alimentar la máquina enfriadora por absorción que trabaja por compresión térmica, alimentándose de agua que ronda los 90ºC.
Por ejemplo desde Rotartica pueden ofrecerte distintas soluciones.

Aparatos de Absorción

Amortización de energia solar térmica

Si vemos la energía solar térmica solo desde el punto de vista de los números estaremos cometiendo un error, ya que esta tecnología va a ayudar a mantener limpio y menos contaminado el mundo en el que vivimos, que además es el único que conocemos y por otra parte sera un valor añadido para la vivienda en la que se instalen los paneles.
Una casa unifamiliar que use 2m² de captadores puede evitar anualmente la emisión de 1,5 t de CO2 al año

Se debe tener en cuenta que no es sencillo dar números exactos para la amortización de una instilación debido a las variaciones de precio de los combustibles, que a medida que pasen los años aumentara progresivamente debido a la escasez y especulación, por lo que la energía solar tiene grandes ventajas y beneficios.

Antes de hacer números debemos tener varios factores en cuenta: calcular las necesidades de consumo de nuestro hogar, la temperatura del agua que deberemos calentar, las subvenciones de las que nos podemos beneficiar ( 30% a fondo perdido y financiación del 70%), y por supuesto la calidad de los materiales y la instalación, ya que la vida útil de los paneles (20 años a pleno rendimiento) es larga y la instalación debe estar acorde con eso.

En la actualidad las instalaciones solares térmicas pueden quedar amortizadas a partir de los 4 a 5 años dependiendo de los puntos anteriormente mencionados.

Centrales termosolares Andasol

Las centrales termosolares Andasol I, II y III son de colectores cilindro parabólicos y se encuentran en Granada, más concretamente en Guadix. Estos colectores son los encargados de concentrar el calor para transferirlo a un liquido portador que puede llegar a temperaturas de 400ºC, este líquido circula por tuberías especialmente aisladas hasta unos depósitos donde su fin será evaporar el agua que hay en su interior, para transformar ese vapor de agua en electricidad, mediante un proceso de movimiento de turbinas.
La superficie que ocupa cada una de estas centrales gemelas es de 510 000 m2
colectores cilindro parabólicos Andasol

Los acumuladores de Andasol
Los acumuladores de la central termosolar Andasol le permiten generar electricidad cuando el cielo está nublado o es de noche. Este calor se almacena en una combinación de sales líquidas, los tanques que contienen estas sales tienen 14m de altura y 36m de diámetro.
Acumuladores sales líquidas

Las centrales Andasol I, II y III se han desarrollado gracias a la empresa Solar Millennium AG especializada en centrales eléctricas termosolares que se mueven en el rango de 50MW y 250MW.
Andalucía ya se encuentra a la cabeza en Europa con 61 MW termosolares y es pionera en este aprovechamiento solar, de hecho esta previsto que en 2010 llegue a 361 MW de energía termosolar.

Calefacción por energía solar térmica

Para calentar el agua podemos utilizar la energía solar térmica como calefacción. Los sistemas de calefacción más extendidos son los radiadores, que utilizan gran cantidad de agua a una temperatura de 60ºC durante la mayor parte del día. Estos radiadores alimentados por energía solar nos ayudaran a ahorrar en el consumo de energía habitual ya sea mediante combustión o electricidad.

En el caso de la calefacción por suelo radiante, el aprovechamiento de la energía solar es sensiblemente mayor ya que no es necesario superar los 35º a 45º en el agua que circula por el interior de las tuberías que hay bajo el suelo. El calor que proporciona la calefacción por suelo radiante es más uniforme y agradable, proporcionando mayor confort a los habitantes de la casa. A la vez que notaremos el mismo suelo caliente, este calienta también el aire frio del suelo haciendo que suba convección natural y calentando así toda la estancia.

También se han desarrollado sistemas de calefacción por aire, cuya instalación es mucho mas barata que los anteriores y también ofrecen una mayor eficiencia ya que la temperatura que ha de alcanzar el aire seria de 25º, pudiendo llegar a esta temperatura hasta en las horas del día en las que la insolación es más débil. Peor Estos sistemas tienen el inconveniente de no poder almacenar el calor, por lo que en la noche nos encontraremos con la imposibilidad de utilizarlo.

Partes de un sistema de calefacción por energía solar térmica:

Los captadores de la radiación solar, están formados por una parte acristalada que transmite la radiación solar hacia su interior impidiendo que este calor vuelva a salir.
El acumulador, puede estar formado por diferentes fluidos termoconductores, o por un depósito de agua caliente aislado térmicamente, calentado a su vez por el fluido termoconductor.
El regulador de temperatura, te permite gestionar la temperatura a la que estará tu hogar.
Bomba de recirculación, se encarga de llevar el agua caliente a donde sea necesario.

Como conclusión se ha de tener en cuenta que la energía solar no podrá abastecer totalmente nuestro sistema de calefacción, con lo que necesitaremos el apoyo de otro combustible, como el gas, gasoil o electricidad. Normalmente podremos alcanzar un total del 50% del consumo de nuestro sistema de calefacción.

Por lo que el sistema deberá ser apoyado por una caldera que trabaje a baja temperatura o incluso se podra usar una caldera convencional con válvula mezcladora.

El periodo de amortización de estos sistemas de calefacción basados en la energía solar térmica suele ser de 4 a 6 años.

Aplicaciones de la energía solar térmica

Las aplicaciones de la energía solar térmica son muy amplias y cada día se avanza más en este sentido ya que nos enfrentamos un grave problema, el cambio climático. Además claro esta, la energía solar es gratuita e inagotable.
En la actualidad la energía solar térmica es utilizada para:

Calentar el agua de las piscinas de exterior o interior.
Calefacción por suelo radiante o radiadores.
Calentar el agua de uso domestico para la ducha, fregar platos, lavarse las manos, etc.
Hacer funcionar aparatos de refrigeración.
Secaderos de productos agrícolas.
Uso industrial, por ejemplo en hornos solares.
Refrigeración por medio de energia solar
Transformar este calor en energía eléctrica.
Desalinización mediante energía solar

En esta misma web podrás encontrar más datos sobre cada una de las formas de aprovechamiento de la energia solar.

Energía termosolar

Esta potencia en forma de calor que hemos obtenido mediante el uso de la energía solar térmica, puede ser transformado en otro tipo de energía, pudiéndole dar un uso mucho mas amplio.
En este caso la obtención de electricidad puede lograrse de dos formas:

Alta concentración
Baja concentración

Central termosolar de torre

En los dos casos se trata de calentar un determinado fluido que al evaporarse, genere una potencia capaz de mover un alternador, convirtiendo esta energía mecánica en electrica. De la misma manera que lo haría una central nuclear, solo que en este caso la principal fuente de energía es el sol y los residuos no serian más que vapor de agua.

Este proceso de calentamiento debe alcanzar temperaturas muy elevadas para tener un buen rendimiento, entre 300º a 1500º.

Dispositivos de alta concentración
En este sistema la radiación solar se capta por medio de espejos curvos, dirigidos a un mismo punto donde concentran esta energía solar.
Estos espejos siguen al sol durante todo el día al igual que lo hacen en la naturaleza los girasoles, para así captar la mayor energía solar de forma continuada. El punto donde los espejos reflejan estas radiaciones solares, suele ser una torre en la que este calor pasa a calentar algún tipo de fluido.

Dispositivos de alta concentración
En este sistema la radiación solar se capta por medio de espejos curvos, dirigidos a un mismo punto donde concentran esta energía solar.
Estos espejos siguen al sol durante todo el día al igual que lo hacen en la naturaleza los girasoles, para así captar la mayor energía solar de forma continuada. El punto donde los espejos reflejan estas radiaciones solares, suele ser una torre en la que este calor pasa a calentar algún tipo de fluido.

También podemos encontrar otra variedad de centrales solares térmicas de alta concentración mediante discos parabólicos o discos solares de concentración, que a su vez son los colectores que presentan la mayor eficiencia.
Estos discos concentran la radiación solar en el receptor que se sitúa en el centro de la parábola. En este centro puede situarse un motor que se encargara de producir la energía mecánica, transformándola así en energía eléctrica. La potencia de estos discos puede variar entre 5 y 25 kW.

Dispositivos de baja concentración
Son un conjunto de colectores cilindro parabólicos que concentran la radiación en una tubería ubicada a lo largo del foco, por la cual pasa el fluido de trabajo que transporta el calor transmitido a este.
Estos sistemas parabólicos trabajan a temperaturas que oscilan entre 100 y 400ºC, aunque estas temperaturas son más bajas que el sistema de foco central, este tipo de sistemas son los que están más desarrollados tecnológicamente.