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Energía Solar
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“Los Energéticos”
5to Año
Escuela Secundaria N° 13
Ingeniero M. Sajaroff
El Sol
El sol es una de las 10 millones estrellas que existen en la Vía Láctea y
es el centro del Sistema Solar constituyendo el 99% de la masa de él. Su forma
es esférica, su radio es de 700.000Km y su masa de 2x1030 Kg,(
333.000 veces más que la Tierra).
El sol se compone principalmente de Hidrógeno (75%),
Helio (24%) y el restante 1% de trazas de todos los elementos conocidos que
componen el plasma. La energía generada es debida a una reacción de fusión, en
la cual los átomos de hidrógeno se convierten en helio. Se estima que este proceso ocurrirá por 5500 millones
de años más hasta que ocurra la decadencia del astro rey.
Posee una densidad de 1,4 x 103 kg/m3 (la de la
Tierra es 5,5kg/m3). Posee presiones de 1014 atmósferas y temperaturas de
15.000.000°C en el núcleo y 6.000.000°C en la superficie.
Estructura del
sol
Podemos distinguir cinco capas: atmósfera (Corona y
Cromósfera), fotósfera, zona convectiva, zona radiativa y núcleo.
Cromósfera: esta capa posee un
espesor entre los 6000 y 14000 km. Se encuentra formada por átomos de hidrógeno
en muy baja densidad.
Fotósfera: es la parte del sol
visible desde la Tierra. Posee muy baja presión (0,01 atm) y su espesor es de
unos cientos de kilómetros. En esta capa se producen enormes erupciones
llamadas protuberancias y también las llamas solares, que pueden alcanzar
alturas de 40.000Km.
Núcleo: ocupa unos 139.000 Km de
radio solar y en esta zona es donde se producen las reacciones nucleares que
originan toda la energía que el sol produce. Las altas condiciones de presión y
temperatura en esta capa hacen posible la fusión nuclear (catalizada por átomos
de carbono) de cuatro átomos de hidrógeno que darán como resultado un átomo de
helio y pérdida de masa en forma de energía. Esta reacción química podría
explicarse de la siguiente manera:
La
gravedad agrupa los átomos de hidrógeno en el núcleo del Sol, donde están cada
vez más aprisionados entre sí. La presión y temperatura aumentan, hasta que
cuatro átomos comienzan a fusionarse en uno solo, con dos protones y dos
electrones. Este nuevo átomo es helio.
En el proceso de fusión, parte
de la masa del átomo se pierde. Es decir, la masa del átomo de helio no es la
suma de la masa de los átomos de hidrógeno, sino que es menor. Esta diferencia
de masa es lo que se transforma en energía, que sale despedida en forma de luz.
En conclusión el 0,7% de la masa original es
transformada en energía que se transmite por radiación ɣ, y en fotones que
poseen una longitud de onda muy corta y por tanto, son muy energéticas. En su
camino hacia la superficie del Sol, estas ondas atraviesan las capas radiativa
y convectiva en las cuales van cediendo energía y disminuyendo su frecuencia.
De este modo, las ondas electromagnéticas emitidas por la superficie son
principalmente de las bandas infrarroja y luz visible.
Transporte de
la energía solar
La energía
emitida por el sol viaja en forma de ondas electromagnéticas, su
velocidad de propagación es de 300.000 Km/s, y como la distancia Tierra-Sol es
de 150 millones de Km, el tiempo que tarda en llegar es de 8,3 minutos. La cantidad de energía que incide sobre la
capa exterior de nuestra atmósfera por unidad de superficie y de tiempo se
denomina Constante solar (Gc) y su valor medio es de 1,353 Ws/m2. Aunque
este valor es aproximado ya que la distancia Tierra-Sol no siempre es la misma
y tampoco la energía emitida es siempre constante, así varía diariamente.
Nuestro planeta recibe del sol una cantidad de
energía anual de aproximadamente 1,6 millones de kWh, de los cuales sólo un 40%
es aprovechable, una cifra que representa varios cientos de veces la energía
que se consume actualmente en forma mundial; es una fuente de energía
descentralizada, limpia e inagotable. El aprovechamiento energético está
entonces condicionado por la intensidad de radiación solar recibida por la
tierra, los ciclos diarios y anuales a los que está sometida y las condiciones
climatológicas del lugar.
Aproximadamente el 30% es reflejada de vuelta al
espacio mientras que el resto es absorbida por las nubes, los océanos y las
masas terrestres.
Movimientos de
la Tierra
Alrededor
del Sol: el centro de la Tierra gira alrededor del Sol describiendo una
eclipse (eclíptica) que tarda en completarse 365,25 días. Como el año civil es
de 365 días, quedan 0,25 que se acumulan cada 4 años en el año bisiesto. La
posición más próxima Tierra-Sol ocurre el 3 de enero y las mas alejada el 4 de
julio de cada año. Durante su revolución alrededor del Sol, la Tierra pasa por
posiciones singulares que marcan el inicio de las estaciones. Estas posiciones
son: solsticio de verano (21 de diciembre) e invierno (21 de junio), y los
equinoccios de otoño (21 de marzo) y primavera (21 de septiembre). En invierno,
los rayos solares inciden normalmente sobre el trópico
de Cáncer; y en el verano sobre el Trópico de Capricornio.
-Movimiento
de rotación: La Tierra gira sobre su eje denominado Polar. Este
movimiento dura 24 hs (un día solar).
Distribución de la irradiación solar global media diaria mensual
para Febrero de 2013 (en MJ/m2)
El aprovechamiento de la energía sol puede ser:
fotovoltaica o Térmica
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Energía Solar Térmica
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Energía Solar Pasiva: se denomina a
la energía que se utiliza en forma natural y directa, sin utilizar implementos
mecánicos. Es la forma de aprovechamiento más antigua. Es aplicable en la
calefacción de ambientes de casas, invernaderos, etc.
Energía Solar Activa: es aquella
donde la energía solar es aprovechada para producir algún otro tipo de energía.
Mecanismos
de transportes de calor:
La energía solar térmica requiere de tres mecanismos
para la conversión de energía radiante en calor:
-Conducción:
se realiza través del flujo de calor de
una zona de mayor temperatura a otra de menor temperatura. Este pasaje se
produce por el movimiento electrónico o por propagación de vibraciones.
-Convección:
tiene lugar dentro de un fluido. En este proceso, las masas de fluido mas
calientes son desplazadas hacia arriba debido a su menor densidad, y las masas
frías se desplazan hacia abajo, determinando un movimiento cíclico. Este
fenómeno puede observarse en el calentamiento de líquidos, en la formación de
vientos, entre otros.
-Radiación:
también constituye en el flujo de calor de una zona de mayor a temperatura a
otra de menor mediante la emisión de ondas electromagnéticas. Pero en este
caso, existe un espacio de por medio.
Colectores
solares
·
Planos:
Es un intercambiador que transforma la energía
radiante en calor. Se compone de tres partes fundamentales: una superficie que
permita atravesar la energía solar pero evite la emisión de radiación
infrarroja, una superficie en color negro absorbente por donde circulan las cañerías con el líquido
a calentar, y una estructura aislante
Subsistema de almacenamiento
Tanto la energía que se recibe del sol como la
demanda de agua caliente son magnitudes que dependen del tiempo y no siempre
los requerimientos de ésta se producirán cuando se dispone de suficiente
radiación. Por tanto, si se quiere aprovechar al máximo las horas de sol, será
necesario acumular la energía en aquellos momentos del día en que esto sea
posible y utilizarla cuando se produzca la demanda. Lo habitual es almacenar la
energía en forma de calor sensible por medio del agua que se pasará a consumo
posteriormente. La dimensión de los tanques de almacenamiento deberá ser
proporcional al consumo estimado y debe cubrir la demanda de agua caliente de
uno o dos días. Es importante determinar la relación superficie de captación /
volumen de acumulación adecuada para nuestra aplicación ya que grandes
superficies de captación con volúmenes relativamente pequeños dan lugar a
temperaturas de almacenamiento (y de trabajo) más altas, reduciendo la
eficiencia de los colectores. En el acumulador, el agua tiende a estratificarse
por temperaturas debido a las densidades en función de la temperatura, de esta
manera, la temperatura en la parte superior del depósito será algo mayor a la
de la parte inferior. Es importante potenciar este efecto utilizando depósitos
verticales con la altura al menos igual al doble del diámetro. El agua que pasa
por los colectores se toma de la parte inferior del depósito (zona fría) y
retorna a la parte superior (zona caliente) por lo que el rendimiento de la
instalación se verá favorecido al trabajar a temperaturas lo más bajas
posibles. El agua para consumo se toma también de la zona superior del
depósito.
·
Parabólicos:
La ventaja importante de este tipo de colectores ante todo la reducción de las pérdidas térmicas en el receptor, pues al ser éste de menor superficie habrá menos área para la radiación del calor y por lo tanto el líquido que circula por el receptor puede calentarse a mayores temperaturas con un rendimiento razonable y a un costo menor.
Existen diferentes tipos de colectores concentradores:
a- Concentradores de enfoque: tienen
un mecanismo de seguimiento para el sol.
b- Concentradores fijos o semifijos:
no necesitan del mecanismo para seguir al sol, se modifica su posición algunas
veces por año.
Otra forma de aprovechar la energía calórica del sol
es a través de centrales termosolares para la producción de energía eléctrica.
Centrales
termosolares:
Su funcionamiento consiste en reflejar con espejos la
luz y el calor del sol hacia una torre central donde es calentado el fluido
(agua). Al aumentar su temperatura, éste se vaporiza e incrementa su presión y
por ende su velocidad. Este movimiento es lo suficientemente potente para hacer
girar una turbina y con ella un generador que produce corriente eléctrica.
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Energía
Solar fotovoltaica
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El efecto fotovoltaico es descubierto en 1839 por el
francés Becquerel y consiste en la capacidad de elementos semiconductores de
liberar sus electrones de valencia a la banda de conducción cuando son
excitados por la acción de fotones. Al liberarse estos electrones, se origina
una corriente eléctrica continua que luego es almacenada en acumuladores. A
continuación, esta corriente es transformada en alternada y luego, mediante
transformadores, se eleva su tensión.
En este caso es aprovechada la energía lumínica del
Sol a través de células fotovoltaicas que constituyen los paneles solares.
Estas celdas se componen de capas superpuestas de semiconductores como el
silicio (también pueden ser de galio o cadmio entre otros) con otros materiales
intercalados. Componentes del sistema:
·
Celdas:
Es dónde se produce la conversión fotovoltaica, las más empleadas son las
realizadas con silicio cristalino. La incidencia de la radiación luminosa sobre
la celda crea una diferencia de potencial y una corriente aprovechable.
Fabricadas a partir del silicio, las celdas fotovoltaicas cobraron auge a
partir de los años 50, cuando comenzaron a ser utilizadas para el
abastecimiento energético de los satélites.
·
Placas
fotovoltaicas: Son un conjunto de celdas fotovoltaicas conectadas entre sí,
que generan electricidad en corriente continua. Para su mejor aprovechamiento
se busca orientarlas (teniendo en cuenta la ubicación y latitud) con el fin de
obtener un mayor rendimiento.
·
Regulador
de carga: Tiene por función proteger a la batería contra las sobrecargas y
contra las descargas. Además se emplea para proteger a las cargas en
condiciones extremas de operación, y para proporcionar información al usuario.
·
Baterías:
Son el almacén de ¿la energía eléctrica generada. En este tipo de aplicaciones
normalmente se utilizan baterías estacionarias, las que tienen como
característica de operación más importante al ciclado; durante un ciclo diario,
la batería se carga durante el día y se descarga durante la noche; sobrepuesto
al ciclado diario hay un ciclo estacional, que está asociado a períodos de
reducida disponibilidad de radiación.
·
Inversor:
Transforma la corriente continua (de 12, 24 o 48 V) generada por las placas
fotovoltaicas y acumulada en las baterías a corriente alterna (a 230 V y 50
Hz).
Subsistemas de almacenamiento
Para el almacenaje de la energía eléctrica producida
se emplean acumuladores.
En sistemas solares las baterías tienen que dar la
energía sobre un tiempo considerablemente más largo y frecuentemente se
descargan a niveles más bajos. Son compuestas de celdas de 2 voltios nominales
que se juntan en serie para lograr baterías de 6, 12 o más voltios.
Los acumuladores pueden emplearse solo o agrupados en una
batería de acumuladores (también llamado banco de baterías) donde son
conectados en serie y paralelo para lograr una diferencia de potencial de 48
Volt.
Ventajas y Desventajas de la energía solar
Ventajas
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Desventajas
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• Se aprovecha en cualquier región.
• Posee efecto ambiental casi nulo.
• Es ideal para zonas donde el tendido eléctrico no
llega
• Fácil mantenimiento
• Gran avance en tecnologías
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• Elevado costo de
infraestructura?
• Se necesita radiación
solar directa que se ve afectada en días con nubosidad
• Radiación variable
• Requiere grandes
extensiones de terreno si se requiere energía a gran escala
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La energía Solar en Argentina
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