Aprovechamiento solar térmico.

La radiación solar es algo cotidiano en nuestra vida, pero ¿cuánta energía llega?¿existe una gran diferencia entre los distintos emplazamientos geográficos de nuestro país? La energía procedente del Sol que llega a la Tierra lo hace en forma de ondas electromagnéticas con una longitud de onda que abarca las bandas del espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

La potencia de la radiación solar que llega a la capa exterior de la atmósfera es aproximadamente de 1.367 W/m². Esta cantidad es conocida como constante solar, aunque en realidad presenta variaciones a lo largo del año.

Los fenómenos de reflexión, absorción y dispersión que sufre la radiación solar al atravesar la atmósfera hacen que la cantidad de energía que llega a nivel del suelo, en días despejados, se reduzca hasta unos 1.000 W/m².

Para el cálculo de instalaciones de calentamiento de agua por medio de energía solar, la magnitud más interesante no es la potencia puntual incidente sino la cantidad de energía recibida por una superficie durante un período de tiempo determinado, por ejemplo un día.

Existen diversas fuentes que ofrecen datos sobre la radiación solar en las distintas zonas geográficas. En general, las tablas de radiación solar se elaboran a partir del tratamiento numérico de los datos históricos obtenidos en mediciones realizadas durante largos períodos de tiempo.

La cantidad de energía incidente depende del emplazamiento y de la orientación e inclinación de la superficie de referencia. Al existir muchas posibilidades, prácticamente todas las fuentes presentan los datos de radiación solar sobre una superficie horizontal. La obtención de la radiación sobre la superficie inclinada y con una cierta orientación respecto al Sur se realiza a partir de los datos de radiación solar horizontal, por medio de la aplicación de coeficientes de pérdidas o algoritmos integrados en los programas de cálculo de las instalaciones solares.

Normalmente se utilizan datos de radiación solar horizontal expresados en kW•h/(m²•año) o MJ/(m²•año).

¿Pasiva? ¿Significa esto que no vamos a hacer nada para ahorrar energía? Nada más lejos de la realidad. Veamos que se entiende por tecnologías pasivas.

La tecnología solar pasiva es el conjunto de técnicas dirigidas al aprovechamiento de la energía solar de forma directa, sin transformarla en otro tipo de energía, para su utilización inmediata o para su almacenamiento sin la necesidad de sistemas mecánicos ni aporte externo de energía, aunque puede ser complementada por ellos, por ejemplo para su regulación.

Las tecnologías que usan bombas o ventiladores consumen una significativa cantidad de energía para su funcionamiento y por ello se clasifican dentro de las tecnologías solares activas. Algunos sistemas solares pasivos pueden, no obstante, consumir una pequeña cantidad de energía necesaria para activar compuertas, relés, interruptores u otros dispositivos que mejorarían el rendimiento de estos sistemas en la recolección, almacenamiento y uso de la energía solar.

La tecnología solar pasiva incluye sistemas con ganancia directa e indirecta para el calentamiento de espacios, sistemas de calentamiento de agua basados en termosifón, el uso de masa térmica y de materiales con cambio de fase para suavizar las oscilaciones de la temperatura del aire, cocinas solares, chimeneas solares para mejorar la ventilación natural y el propio abrigo de la tierra.

En la siguiente lámina se puede observar los modos de transmisión de calor en los edificios. Por conducción a través del terreno y los materiales de construcción, por radiación del sol y superficies radiantes, por convección a través de las corrientes de aire, por evaporación y por condensación.

¿Nunca has pensado que tango gasto en calefacción y aire acondicionado es exagerado? La arquitectura bioclimática puede definirse como la arquitectura diseñada para lograr un máximo confort dentro del edificio con el mínimo gasto energético. Para ello aprovecha las condiciones climáticas de su entorno, transformando los elementos climáticos externos en confort interno gracias a un diseño inteligente. Si en algunas épocas del año fuese necesario un aporte energético extra, se recurriría si fuese posible a las fuentes de energía renovables.

A igualdad de confort la mejor solución es la más simple y si además es sana para el planeta, mucho mejor. A esta simplicidad se llega a través del conocimiento y la buena utilización de los elementos reguladores del clima y de las energías renovables. Durante la fase de diseño del edificio es importante contemplar todos los elementos en su conjunto: estructuras, cerramientos, instalaciones, revestimientos, etc., dado que carece de sentido conseguir un ahorro energético en determinada zona y tener pérdidas de calor en otra.

Mediante la integración de fuentes de energía renovable, es posible que todo el consumo sea de generación propia y no contaminante.

¡No vamos a empezar la casa por el tejado! ¿Podremos diseñar la estructura de la casa pensando en el ahorro energético? La captación estructural es la forma más antigua de aprovechamiento de la energía solar. Tradicionalmente, y en ausencia de los medios actuales, las construcciones se diseñaban conforme a las particularidades del clima local, aprovechando al máximo los rayos solares en climas fríos, y protegiéndose de ellos en climas cálidos. La revolución industrial acabó con esta tradición, al aparecer nuevos sistemas mecánicos y disponer de energía en abundancia. Actualmente se está retomando como forma de ahorro energético.

Podemos distinguir diversos sistemas de captación estructural, tal como vemos en la siguiente ilustración:

Muro de acumulación no ventilado.

También conocido como Muro Trombe, es un muro construido en piedra, ladrillos, hormigón o hasta agua, pintado de negro o de un color muy oscuro en la cara exterior. Para mejorar la captación se aprovecha una propiedad del vidrio que es la de generar un efecto invernadero, en el cual la luz visible atraviesa el vidrio y al llegar el muro lo calienta emitiéndose en este proceso una cantidad de radiación infrarroja que es contenida por el vidrio. Por este motivo se eleva la temperatura de la cámara de aire existente entre el muro y el vidrio.

Muro de acumulación ventilado.

Similar al anterior pero incorpora orificios en la parte superior e inferior para facilitar la transferencia de calor entre el muro y el ambiente mediante convección que se suma al aporte por radiación.

Invernadero adosado.

Consisten en recintos acristalados cerrados construidos en la cara sur (para el hemisferio norte y norte para el hemisferio sur) del edificio. Dependiendo del clima y del uso a que se le destine, puede haber un muro de separación con la parte habitada del edificio u otro tipo de almacenamiento. En algunos casos el invernadero se utiliza para dar un precalentamiento al aire que penetra en el interior del edificio. La temperatura en su interior puede sufrir grandes variaciones entre el día y la noche, por eso no es muy útil como vivienda, si no se utiliza un control adecuado que puede consistir en unas simples persianas para el período nocturno o la utilización de un calentamiento auxiliar. Entre los inconvenientes se pueden ver los problemas de sobrecalentamiento que se pueden presentar en verano, las grandes oscilaciones que experimenta su temperatura interior y el costo de su construcción que suele ser superior a las ganancias energéticas que proporciona, si no se compensan con otras utilidades, tales como estancias en ciertos períodos del año.

Techo de acumulación de calor.

En ciertas latitudes es posible usar la superficie del techo para captar y acumular la energía del sol. También conocidos como estanques solares requieren de complejos dispositivos móviles para evitar que se escape el calor durante la noche.

Captación solar y acumulación calor.

Es un sistema más complejo y permite combinar la ganancia directa por ventanas con colectores solares de aire o agua caliente para acumularlo debajo del piso. Luego de modo similar al muro acumulador ventilado se lleva el calor al ambiente interior. Adecuadamente dimensionado permite acumular calor para siete o más días.

Los sistemas de energía solar térmica para generación de calor y frío son principalmente los denominados de baja temperatura, destinados a aquellas aplicaciones que no exigen temperaturas del agua superiores a los 90 ºC. Así, por ejemplo, agua caliente sanitaria (ACS) y apoyo a la calefacción de viviendas, calentamiento de agua de piscinas, etc. La energía solar térmica de baja temperatura es la que más se aplica al sector residencial o de viviendas.

El sistema más simple para aprovechar la energía calorífica del sol de forma activa (radiación infrarroja) es la instalación de un colector solar plano por el interior del cual se hace pasar agua para su calentamiento. Aparte del colector solar, se necesita disponer de un método de almacenamiento para el agua producida por el colector de manera que sea capaz de satisfacer la demanda en condiciones en que la radiación solar sea insuficiente.

Como veremos en los siguientes apartados, las instalaciones de baja temperatura requieren para su funcionamiento el acoplamiento de tres sistemas principales:

• Sistema de captación: cuya finalidad es la captación de la energía solar.
• Sistema de almacenamiento: cuya finalidad es adaptar en el tiempo la disponibilidad de energía y la demanda, acumulándola cuando está disponible, para poderla ofrecer en cualquier momento en que se solicite.
• Sistema de distribución y consumo: cuya finalidad es trasladar a los puntos de consumo el agua caliente producida.

Cada vez es más común ver paneles solares en los tejados de las viviendas. ¿Son todos iguales?

El sistema de captación está constituido por el colector solar (o colectores solares) que es el elemento encargado de captar la energía contenida en la radiación solar y transferirla al fluido a calentar. El tipo de colectores más extendido es el denominado colector solar plano. Los colectores solares planos destinados al calentamiento de agua pueden estar fabricados en distintos materiales (acero, cobre, aluminio, plásticos, ...) pero están basados siempre en el mismo principio, denominado "efecto invernadero", consistente en captar en su interior la energía solar, transformándola en energía térmica e impidiendo su salida al exterior.

La circulación del fluido por el colector puede establecerse de dos formas diferentes:

Circulación natural.

El propio fluido se mueve por la diferencia de temperatura y densidades que se crea entre el agua fría del almacenamiento y la caliente del colector. Esto se explica gracias a que el agua calentada por el sol disminuye su densidad y, por tanto, su peso, por lo que el mayor peso del agua fría del depósito (situado necesariamente por encima de los colectores), sale por el conducto situado en su parte inferior, el cual está conectado con la tubería de entrada a los colectores, empujando de esta forma el agua caliente del colector por la tubería de salida hacia la parte superior del depósito. Una vez calentada el agua del depósito, ambas temperaturas se igualan por lo que el movimiento cesa, no reanudándose hasta que haya un consumo de agua, por lo que entra en el depósito agua fría de la red disminuyendo la temperatura del tanque acumulador.

Estos sistemas presentan como características su simplicidad, eficiencia y seguridad, además de un coste bajo. Como desventajas se pueden enumerar las siguientes:

• El depósito acumulador debe estar siempre por encima de los paneles solares, por lo que dificulta la integración estética.
• Caudal circulante pequeño.
• No se puede limitar la temperatura del agua por lo que en verano puede alcanzar valores elevados.
• Necesidad de una mínima carga hidráulica, diferencia de alturas entre el depósito y los paneles.
• Tuberías de mayor tamaño para reducir las perdidas.

Circulación forzada.

El agua se mueve a través del sistema por medio de bombas o circuladores. Las ventajas son la desaparición de todos los inconvenientes debido a la circulación natural, con un aumento de la eficacia del sistema. Por el contrario de los inconvenientes que presenta se pueden citar:

• Necesidad de disponer de energía eléctrica.
• Necesidad de regulación y control del fluido para que éste se ponga en movimiento.
• Mayor coste de instalación.

Pero, ¿cómo funcionan los paneles solares planos? Si alguna vez los has vistos funcionar, habrás observado que con relativamente poco sol, la temperatura alcanzada por el agua es considerable. La característica específica de los colectores planos es que carecen de cualquier tipo de concentración de la energía incidente; captan tanto la radiación directa, como la difusa y carecen de cualquier forma de seguimiento de la posición del sol, a lo largo del día. Su aplicación es la producción de agua caliente sanitaria, climatización de piscinas y calefacción.

Si se expone un colector al sol sin circulación de fluido en su interior, la temperatura de la placa captadora o absorbedora irá aumentando progresivamente. Dicha placa irá almacenando el calor al mismo tiempo que tendrá unas perdidas debido a los fenómenos de conducción, convección y radiación, las cuales aumentan con la temperatura.

Llega un momento en que las pérdidas se equiparan a la energía que recibe la placa del sol y la temperatura se estabiliza alcanzándose la denominada temperatura de equilibrio estática, que depende de las condiciones exteriores a las que esté sometida la placa (cuanto más frío sea el ambiente y más viento haga más baja será esta).

Si ahora se hace circular un fluido por el colector, éste recibe el calor de la placa captadora e irá aumentando la temperatura, por el contrario la temperatura de la placa disminuirá. Manteniendo la circulación del fluido estacionario o constante, llegará un momento en que se alcance una nueva temperatura de equilibrio llamada temperatura de equilibrio dinámica, la cual es siempre inferior a la estática.

La máxima temperatura que un colector instalado puede alcanzar es la temperatura de equilibrio estática, que es necesaria conocer por dos razones:

• Será la temperatura que la instalación solar alcanzará cuando esté parada.
• La temperatura máxima teórica de utilización de la instalación será siempre inferior a la temperatura de equilibrio estático.

¿Qué misterio se encuentra dentro de un panel solar? Verás que no es nada complicado.

Tal como vemos en el esquema siguiente, el colector de placa plana lo componen cuatro elementos principales: la cubierta transparente, la placa captadora, el aislante y la carcasa.

Cubierta transparente.

Es la encargada de producir el efecto invernadero, reducir las perdidas por convección y asegurar la estanqueidad del colector al agua y al aire en unión con la carcasa y las juntas.

El efecto invernadero logrado por la cubierta consiste en lo siguiente: de toda la radiación que ha atravesado la cubierta y llega a la placa absorbedora, una parte es reflejada de nuevo hacia la cara interna de la cubierta transparente, pero con una longitud de onda para la cual ésta es opaca. Es decir, la radiación no puede atravesar la cubierta desde el interior al exterior del colector, con lo que se consigue retener la radiación en el interior. Este efecto nos define las características de la cubierta:

• Alto coeficiente de transmisión de la radiación de solar en la banda de longitud de onda de 0,3 a 3 mm, el cual debe conservarse a lo largo de los años.
• Bajo coeficiente de transmisión para las ondas largas, superiores a 3 mm.
• Bajo coeficiente de conductividad térmica, que dificulte el paso de calor desde la superficie interior hacia la exterior, minimizando así las perdidas.
• Alto coeficiente de reflexión para la longitud de onda larga de la radiación emitida por la placa captadora, a fin de que esta retorne a la placa.

Placa Captadora.

Tiene por misión absorber de la forma más eficiente posible la radiación solar y transformarla en energía térmica utilizable mediante su transferencia al fluido caloportador.

Existen diferentes modelos, siendo los más usuales:

• Dos placas metálicas separadas unos milímetros entre las cuales circula el fluido caloportador.
• Placa metálica sobre la cual están soldados o embutidos los tubos por los que circula el fluido caloportador. En lugar de una placa metálica se puede dotar de unas aletas de aluminio a los tubos de cobre.
• Dos láminas de metal unidas a gran presión excepto en los lugares que forman el circuito del fluido caloportador, los cuales han sido abombados mediante insuflación aire.
• Placas de plásticos, usadas exclusivamente en climatización de piscinas.

Aislamiento.

La placa captadora está protegida en su parte posterior y lateral por medio de un aislamiento para evitar las perdidas térmicas hacia el exterior.

Carcasa.

Es la encargada de proteger y soportar los elementos que constituyen el colector solar, además de servir de enlace con el edificio por medio de los soportes.

La tecnología también avanza en el campo de los paneles solares, y hay otros modelos más complejos y más eficientes. Son los paneles de tubos de vacío. Vamos a estudiarlos.

Hay dos tipos de paneles de tubos de vacío:

Flujo directo.

Constan de una serie de tubos de vidrio sobre los que se ha hecho un vacío de aire, en el interior de los cuales se encuentran los tubos de cobre por los que circula el fluido caloportador (normalmente agua mezclada con anticongelante). El hecho de que no haya aire entre los conductos de cobre y la cubierta de vidrio, reduce de manera considerable las pérdidas globales, por eliminación de las pérdidas originadas por la convección de este aire. Con este tipo de colectores se pueden conseguir temperaturas del orden de 80 a 100 ºC.

Heat-Pipe.

Similar al de tubo de vacío, basa su funcionamiento en un bulbo de cobre, herméticamente cerrado, por el que circula un fluido característico a una presión determinada.

Como se puede ver en la siguiente ilustración, el punto de ebullición de este fluido se encuentra a una temperatura elevada. De esta manera, la radiación solar eleva su temperatura hasta transformarlo en vapor, que asciende hasta una zona en la que entra en contacto con el fluido caloportador de nuestro sistema solar, al que cede su energía, calentándose el fluido y condensando el vapor a líquido, que desciende de nuevo para cerrar el ciclo.

¿Podrían funcionar los sistemas solares solo con los paneles? Evidentemente no, veamos el resto de los elementos necesarios para el funcionamiento del sistema.

Sistema de almacenamiento.

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 con posterioridad.

Los aspectos más importantes de un acumulador son su resistencia mecánica, su durabilidad y la calidad del aislamiento térmico, que se mide en W/K (vatios entre grado Kelvin). Mientras menor sea el coeficiente de pérdidas (que depende de la naturaleza y espesor del aislante) mejor comportamiento tiene el acumulador.

Sistema de distribución y consumo.

Las instalaciones de energía solar térmica han de incluir necesariamente una serie de elementos indispensables para el correcto funcionamiento y control de la instalación. Algunos de ellos son obligatorios, puesto que se trata de elementos de seguridad, y otros se colocan para obtener un mejor rendimiento de la instalación y un más correcto mantenimiento (válvulas de paso, válvulas de seguridad, manómetro, termómetro, etc.). Entre los elementos del sistema de distribución y consumo podemos encontrar:

• Intercambiador de calor: calienta el agua de consumo a través del calor captado de la radiación solar. Es el elemento de unión entre el circuito primario (el circuito del panel solar) y el secundario (el circuito de consumo).
• Bombas: se emplean para impulsar el fluido de trabajo.
• Vaso de expansión: es el elemento que permite absorber las variaciones de volumen y presión en un circuito cerrado producidas por las variaciones de temperatura del fluido circulante.

¿Cómo generar frío a partir del calor? Parece imposible, ¿verdad?. En realidad este procedimiento se conoce desde hace muchos años, y recientemente se está tomando más interés en él debido al auge de las energías renovables como fuentes de calor, y al aprovechamiento de energías residuales.

El sistema de refrigeración por absorción es un medio de producir frío que, al igual que en el sistema de refrigeración por compresión, aprovecha que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso. El sistema se basa en la capacidad que tienen algunas sustancias, como el bromuro de litio, de absorber otra sustancia, tal como el agua, en fase de vapor. Otra posibilidad es emplear el agua como sustancia absorbente (disolvente) y como absorbida (soluto) utilizar amoníaco.

Para llevar a cabo el proceso de absorción se necesita una fuente de calor. Es aquí donde interviene la energía solar. La fuente de calor puede ser una energía convencional, pero también se puede utilizar el calor proporcionado por un campo de colectores solares. A estos sistemas se les suele denominar refrigeración solar o frío solar.

El funcionamiento de cualquier máquina de refrigeración por absorción se basa en tres fenómenos físicos elementales:

• Cuando un fluido se evapora absorbe calor y cuando se condensa cede calor.
• La temperatura de ebullición de un líquido varía en función de la presión, es decir, a medida que baja la presión, baja la temperatura de ebullición.
• Hay establecidas parejas de productos químicos que tienen cierta afinidad a la hora de disolver el uno al otro.

Recordando el esquema de un ciclo convencional de refrigeración con compresor mecánico, el fluido refrigerante en estado líquido circula por el evaporador, el medio a enfriar cede calor bajando su temperatura, mientras que el refrigerante se evapora. El vapor a baja presión pasa al compresor incrementando su presión y temperatura hasta un punto en el que el vapor se licua cediendo calor al medio a calentar utilizado en el condensador. El líquido refrigerante va desde el condensador a un elemento de expansión en la que su presión y temperatura se reducen a las del evaporador completándose el ciclo.

Si sustituimos el compresor mecánico del ciclo de refrigeración anterior por un compresor térmico compuesto por un absorbedor (también denominado concentrador) y un generador, obtenemos de ciclo de refrigeración por absorción.

Teniendo en cuenta que el consumo eléctrico sube considerablemente durante los meses de verano por el uso de los aparatos de aire acondicionado, la generalización de esta tecnología puede suponer un desarrollo muy positivo en la aplicación de nuevas aplicaciones de las energías renovables y en la reducción de dichas puntas de consumo eléctrico.

Los sistemas basados en la energía solar térmica extraen mayor rendimiento de las instalaciones, a menudo poco aprovechadas o en riesgo de sobrecalentamiento durante el verano. Es una de las aplicaciones con energía solar en la que mejor se adapta la oferta con la demanda.

No vamos a hablar de energía solar fotovoltaica, ¿cómo podemos generar entonces energía eléctrica a partir de la energía solar?

El uso de la radiación solar como fuente de energía térmica es una de las opciones que más interés ha despertado durante las últimas décadas, debido a que es inagotable y su disponibilidad en una amplia zona de nuestro planeta (el denominado cinturón solar terrestre, comprendido entre los paralelos 40° y 40° Sur). Este uso resulta especialmente atractivo, a pequeña y a mediana escala, en zonas donde coinciden la disponibilidad tecnológica, un buen nivel de radiación solar, la demanda energética y la infraestructura necesaria.

Es evidente lo interesante que resulta para aquellos países que tienen una buena insolación la posibilidad de transformar la radiación solar en energía térmica a temperaturas del orden de los 400 °C o más, que puede usarse como sustituto de los combustibles convencionales, tanto para la generación de electricidad en plantas de ciclo Rankine o de ciclo combinado, como para alimentar procesos industriales que necesitan energía térmica. De entre las diversas tecnologías actualmente disponibles para la conversión de la radiación solar en energía térmica a temperaturas superiores a 200 °C, destacan dos por el grado de desarrollo alcanzado:

• Los sistemas solares de receptor central con un campo de heliostatos o de torre.
• Los sistemas solares con colectores cilindro parabólicos.

Ambos sistemas presentan el potencial suficiente para poder contribuir en las próximas décadas de una manera significativa al aprovechamiento de la energía solar, convirtiéndola en energía térmica a media y alta temperatura.

El alto interés del aprovechamiento térmico de la energía solar estriba no solo en el gran mercado potencial que existe, sino en los claros beneficios medioambientales que reporta: cada GWh de energía térmica producida con un sistema solar reduce en 250 toneladas métricas las emisiones de CO2.

La espectacularidad de estas centrales no te dejará indiferente, seguro que estás deseando saber en qué se basa su funcionamiento ¿verdad?

Las centrales de potencia termosolares de alta temperatura para la transformación de la energía solar en eléctrica mediante un ciclo termodinámico, consisten en general, en un adecuado ordenamiento de espejos, llamados heliostatos, situados sobre un terreno, ordenados y orientados automáticamente, para que en todo momento reflejen la radiación solar directa que incide sobre ellos, en un receptor situado a gran altura sobre el terreno en el que van ubicados los espejos.

En el diseño de una central de energía solar para la obtención de electricidad mediante un ciclo termodinámico recorrido por vapor de agua, se pueden considerar dos partes perfectamente diferenciadas:

1. El concentrador de energía solar.
2. El receptor de energía que se comporta como caldera del ciclo termodinámico.

La característica más notable de las centrales de potencia de energía solar, radica posiblemente, en que todos sus subsistemas utilizan tecnologías conocidas; así, el subsistema de conversión de la energía térmica del vapor en energía cinética de rotación en la turbina, y en electricidad en el alternador, son de tipo convencional, evitándose así la necesidad de un trabajo de investigación, al tiempo que se reduce la posibilidad de un error.

El receptor puede ir instalado en el centro del campo especular, o bien, desplazado hacia el Sur, dando lugar a los campos Norte de heliostatos; el receptor debe estar situado en el campo visual de los espejos, lo cual se cumplirá tanto mejor, cuanto más elevado se encuentre, minimizándose así los problemas de interferencia y solapamiento entre espejos vecinos.

El campo concentrador está conformado por los heliostatos, que están formados por una serie de espejos planos, dispuestos convenientemente sobre una estructura soporte; pueden tener diversas geometrías, dependiendo fundamentalmente del tipo de receptor; en todo momento deben seguir el movimiento aparente del Sol, bien en forma individual mediante células ópticas, o en forma colectiva mediante ordenador, en el que su programa puede ser modificado diariamente, permitiendo a su vez seguir al Sol aún con cielo nublado. La energía consumida para la dirección y orientación de los heliostatos es relativamente baja.

Vamos a estudiar otro tipo de centrales termosolares, algo menos espectaculares pero igualmente interesantes. Empecemos por su componente principal, los colectores.

Los colectores cilindro parabólicos son dispositivos que consisten básicamente en un reflector (espejo) cilindro parabólico, dotado de un mecanismo de seguimiento del sol para que en todo momento la radiación solar directa incida perpendicularmente sobre el reflector. De este modo, la radiación solar directa es reflejada y concentrada sobre un tubo receptor (absorbente) situado en la línea focal de la parábola formada por la superficie reflectante. Por el interior del tubo absorbente circula un fluido que se calienta por efecto de la radiación solar reflejada que incide sobre él, convirtiendo de este modo la radiación solar en energía térmica en forma de calor sensible del fluido. El fluido de trabajo que se usa actualmente es un aceite sintético que puede calentarse hasta 400 °C.

La superficie reflectante de este tipo de colector solar está compuesta por un conjunto de espejos que se montan uno junto a otro, de modo que el conjunto conforma una parábola reflectante. Los espejos van soportados por una estructura tubular metálica que le da la necesaria rigidez al conjunto.

El mecanismo de seguimiento del sol consiste en un sistema hidráulico con pistones que provoca el giro de la superficie reflectante conforme el sol va cambiando su posición en el cielo. Un microprocesador calcula cada segundo, mediante algoritmos matemáticos, la posición del sol y da la orden al sistema hidráulico para que posicione a la parábola de forma que la radiación solar directa incida perpendicularmente sobre el plano de apertura del reflector parabólico.

Aunque el esquema varía ligeramente de una planta a otra, en general se corresponde con un campo de colectores solares cilindro parabólicos que calienta el aceite que circula por los tubos absorbentes de los colectores. Una vez calentado, el aceite pasa a un intercambiador de calor donde transfiere su energía térmica al ciclo Rankine de producción de electricidad. Esta transferencia se realiza mediante la producción de vapor a 104 bar y 370 °C, que es expandido en la turbina de vapor acoplada al generador eléctrico correspondiente, donde se produce la electricidad propiamente dicha.

Para optimizar la rentabilidad de estas plantas es fundamental que se produzca la máxima energía posible durante las horas punta de demanda, que es cuando se paga el precio más alto por la energía eléctrica. Para conseguir esto, se tienen calderas convencionales de gas que pueden operar tanto como un complemento del campo solar, como en funcionamiento independiente. El tanto por ciento de energía eléctrica que puede ser producida con gas está limitado por normativa.

¿Te gustaría saber cómo un motor inventado en 1816, parcialmente olvidado, se vuelve a utilizar gracias a las energías renovables?

Producir electricidad de la energía de los rayos solares es un proceso relativamente sencillo como hemos visto. La radiación solar directa puede concentrarse y recogerse mediante una serie de tecnologías que proporcionan temperaturas de medias a altas. Este calor se utiliza entonces para operar un ciclo termodinámico convencional, por ejemplo mediante una turbina de vapor o de gas, o un motor Stirling.

El calor solar recogido durante el día puede también almacenarse en medios líquidos, sólidos o que cambian de fase, como sales fundidas, cerámicas, cemento, o en el futuro, mezclas de sales que cambian de fase. Por la noche, puede extraerse el calor del medio de almacenamiento para hacer funcionar la turbina.

El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, de origen escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se trata de un motor térmico.

Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa, energía geotérmica, etcétera).

En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento.

No vamos a aprender cocina, aunque realmente se pueden utilizar hornos solares para cocinar. Vamos a hablar de otro tipo de hornos, lo nuestro es la transformación de la energía.

Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construidos con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de este modo poder calentar "blancos" a niveles altos de temperatura. Se han usado hornos solares para estudios experimentales hasta 3.500 ºC y se han publicado temperaturas superiores a 4.000 ºC. Las muestras pueden calentarse en atmósferas controladas y en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo si así se desea.

La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de heliostatos, para llevar la radiación solar al reflector parabólico. Esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario en posición vertical, con lo cual se pueden colocar aparatos para atmósfera controlada y movimiento de muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. El poder de reflexión del heliostato varia de 85 a 95 % según su construcción, por lo que resulta para el horno una perdida de flujo del 5 al 15%, y la disminución correspondiente a las temperaturas que se alcanzan.

Se construyen hornos solares de hasta 3 metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio, cobre o de otros elementos y se han construido hornos mas grandes de múltiples reflectores curvos.

Se usan hornos solares en gran variedad de estudios experimentales, entre ellos, la fusión de materiales refractarios y la realización de reacciones químicas.

Todo uso de las fuentes de energía, aún de las renovables, involucra frecuentemente efectos ambientales que deben ser identificados. Para una correcta evaluación del impacto ambiental se debe considerar todo el ciclo de vida de cada fuente de energía, por ejemplo desde la fabricación de los materiales necesarios para el aprovechamiento energético, su operación y hasta su desmantelamiento.

Energía solar para la generación de calor o frío.

Cuando se aprovecha la energía solar no se genera contaminación directa por sustancias de los colectores, pero los sistemas colectores contienen a menudo sustancias para la transmisión térmica que pueden producir contaminaciones si acceden al medio ambiente. Los paneles pueden generar molestias estéticas, esto se resuelve a través de una integración adecuada.

La sombra y la modificación del albedo generados por las grandes instalaciones pueden, según las condiciones locales, ejercer impactos tanto sobre el microclima (tasas de evaporación, movimiento del viento, temperatura) como sobre la flora y fauna.

En la mayor parte de las instalaciones solares hay un consumo energético en forma de electricidad, principalmente en las bombas y sistemas de control. Si esta electricidad no procede de una fuente renovable, estaremos contaminando al hacer uso de nuestra instalación solar.

Otros impactos ambientales se producen durante la fabricación de los materiales que se utilizan para los colectores. La fabricación del acero, cobre y aluminio que a menudo se utilizan como materia prima, genera problemas ambientales por emisiones, por ejemplo, de polvos y compuestos fluorados y produce no solo gran contaminación a raíz de los desechos y efluentes que se originan, sino también una gran demanda energética, especialmente en el caso del aluminio.

Energía solar para la generación de electricidad.

El mayor impacto ambiental de estas tecnologías es la ocupación de las grandes superficies que requieren estas tecnologías. Pero debido a que solo son rentables en lugares con muchas horas de radiación solar, a menudo se instalan en zonas desérticas o semidesérticas, con lo que este impacto es relativamente poco importante, ya que estamos dado un uso a un suelo que antes no se utilizaba para nada.

Por otro lado hay que tener en cuenta los procesos de fabricación de todos los elementos que componen la instalación solar y su deposición cuando termine su vida útil.

Estos impactos ambientales hay que tenerlos en cuenta y estudiar la forma de reducirlos al máximo, pero no podemos olvidar que en el cómputo global, las energías renovables son claramente más beneficiosas desde el punto de vista medioambiental, que las procedentes de fuentes no renovables (fósiles y nucleares).

La energía renovable en España tradicionalmente ha tenido un peso pequeño en relación a la demanda de energía primaria y de generación eléctrica, principalmente representadas por la energía hidráulica. Sin embargo, desde el final del siglo XX ha sido fuertemente impulsada desde los diferentes Gobiernos. España está entre las cinco principales naciones inversoras en energías renovables en el ámbito internacional.

En 2005 España se convirtió en el primer país del mundo en requerir la instalación de placas solares en edificios nuevos y el segundo del mundo (tras Israel) en requerir la instalación de sistemas de agua caliente solar.

El potencial solar de España es el más alto de Europa debido a su privilegiada situación y climatología.

Por lo que respecta a la termosolar, en marzo de 2007, fue inaugurada en Europa la primera planta de energía solar cerca de Sevilla. La planta de 11 MW conocida como PS10, produce electricidad mediante 634 heliostatos. Cada uno de estos helióstatos tiene una superficie de 121 metros cuadrados que concentra los rayos del sol en lo alto de una torre de 114 metros de altura donde esta instalado un receptor solar y un calderín, desde ahí, el vapor es enviado a una turbina de vapor situada en un edificio anexo a la torre. La turbina mueve el generador, que produce la electricidad. PS10 es la primera de una serie de plantas de energía solar de la misma zona con una potencia total de más de 300 MW. La segunda de estas plantas, la PS20, con capacidad para producir 20 MW mediante más de 1.200 helióstatos del mismo tamaño que los de PS10, que concentran la luz solar en una receptor colocado en una torre de 165 metros de altura, concluyó sus pruebas satisfactoriamente, y comenzó su explotación comercial a finales de abril de 2009.

A principios de 2011 ya tenemos en nuestro país 732,4 MW de potencia termosolar inyectando electricidad a la red eléctrica de España (solo un 0,7 % del total). El haber cumplido prácticamente las previsiones que se vienen haciendo desde hace tiempo demuestra la vitalidad del sector que va cumpliendo con las perspectivas planteadas con anterioridad.

En cuanto a la electricidad generada en 2010, ha sido de solo 661 GWh que puede parecer una cantidad no muy grande en relación a la energía total generada con otras tecnologías y otras fuentes primarias (solo un 2,5% de la demanda); pero hay que tener bien presente que muchas de las centrales que se han conectado en el año 2010 lo han hecho a lo largo de todo el año, varias de ellas al final por lo que las electricidad generada ha sido, como es lógico, proporcional al tiempo que llevan conectadas. Si hubieran funcionado todo el año las centrales ya conectadas hubieran generado más de 1.500 GWh (un 0,6% de la demanda).

De todas formas, esa electricidad procedente del sol ha supuesto 266.581 toneladas de CO2 menos que el sistema eléctrico español ha mandado a la atmósfera contribuyendo así modestamente al cumplimiento de nuestro compromiso con el protocolo de Kyoto. También ha mejorado nuestra balanza de pagos con el exterior porque se han disminuido proporcionalmente las cantidades de carbón y de gas natural que se ha comprado en el extranjero.

Licencias de recursos utilizados en la Unidad de Trabajo.

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	Autoría: Mª Dolores García L. Xunta de Galicia Licencia: Copyright (Cita). Procedencia: http://2.bp.blogspot.com/_uMI3L9txyBE/SPDS-qBFZOI/AAAAAAAABXY/u8QjHeObtVM/s1600-h/10.Tema+2+lam+3.jpg		Autoría: carolinazuarq Licencia: CC BY-NC 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/zuarq/5115489314/
	Autoría: Jorge Czajkowski Licencia: CC BY-SA 2.5 Procedencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Sistemas_solares_pasivos.png		Autoría: DavidJGB Licencia: CC BY-SA 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/djgb/4910641748/
	Autoría: Rocío Lara Licencia: CC BY-NC-SA 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/analogica/2326703618/		Autoría: benkamorvan Licencia: CC BY-NC-SA 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/benkamorvan/2518176286/
	Autoría: JWH Ferguson Licencia: CC0 1.0 Dominio público Procedencia: Montaje sobre http://en.wikipedia.org/wiki/File:Thermosiphon2.jpg#file		Autoría: CIEMAT Licencia: Copyright (Cita) Procedencia: http://www.energiasrenovables.ciemat.es/adjuntos_documentos/Energia_Solar_Termica.pdf
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	Autoría: calefaccion Licencia: CC BY-SA 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/76087503@N00/323782930/		Autoría: U.S. Army Environmental Command Licencia: CC BY 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/armyenvironmental/4440037431/
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	Autoría: Derek Curry Licencia: CC BY-SA 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/derek_curry/49083646/		Autoría: plsg77 Licencia: CC BY-NC-SA 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/plsg77/4152499109/
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	Autoría: langalex Licencia: CC BY-SA 2.0 Procedencia: http://www.flickr.com/photos/langalex/3546825820/		Autoría: Ingolll Licencia: CC BY-SA 3.0 Procedencia: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Contribuci%C3%B3n_Energ%C3%ADas_renovables_a_producci%C3%B3n_de_energ%C3%ADa_primaria_Espa%C3%B1a_2009.jpg