Aprovechamiento de la Energía Solar de Baja Temperatura: Fundamentos y Aplicaciones

Aprovechamiento de la Energía Solar de Baja Temperatura

1. Introducción: Todas las energías renovables provienen del sol, siendo este el responsable de todas las formas de vida. La energía solar puede utilizarse como energía de baja temperatura (<100ºC) para agua caliente sanitaria (ACS) y calefacción en viviendas y edificios.

2. Naturaleza y Disponibilidad de la Radiación Solar

La energía solar tiene su origen en las reacciones nucleares de fusión en el sol, produciendo una pérdida de masa. La potencia total del sol es de 3.85E26 W, y la que llega a la Tierra es: Go (constante solar) = Ptot / 4π(1.5E11)² = 1362 W/m². Go varía según la época del año. De la energía que llega a la atmósfera, se refleja 1/3, entrando entonces 1000 W/m² (un sol).

3. Absorción y Dispersión de la Luz por la Atmósfera

La radiación solar es radiación electromagnética, que viaja a la velocidad de la luz (3E8 m/s), con un espectro de longitud de onda de 0.25-6 μm. La radiación visible se encuentra entre 0.38-0.78 μm. El conjunto de radiaciones forma el espectro solar. La reflexión de 1/3 es independiente de la longitud de onda (λ). Hay radiación solar directa (1 dirección) y difusa (todas direcciones), que interactúa con partículas en la atmósfera. La radiación con λ<0.3 μm (ultravioleta) se elimina por absorción del ozono; entre 0.3-0.4 μm pasa (UV próximo); la radiación visible representa el 45%; entre 0.7-2.5 μm se encuentra el infrarrojo próximo (46%); y con λ>12 μm, la atmósfera es opaca (infrarrojo lejano).

4. El Efecto Invernadero

La Tierra refleja 1/3 de la radiación, y el aumento de la temperatura se debe al incremento de los gases de efecto invernadero (GEI). La radiación con λ<0.3 μm es absorbida.

5. Variación de la Insolación Diaria

La insolación (H) es la energía total recibida por unidad de área en un punto de la Tierra en un día. Depende de la inclinación de los rayos solares y de la inclinación de la superficie. Se mide con solarímetros. El ángulo de declinación es el ángulo de la dirección de los rayos solares con el plano ecuatorial, y varía según la estación del año. A mayor latitud, mayor insolación; en verano es constante, mientras que en invierno varía mucho según la latitud.

6. Propiedades del Vidrio

El vidrio es prácticamente transparente a las radiaciones procedentes de la luz solar y al infrarrojo cercano, pero no deja pasar el infrarrojo lejano de los cuerpos. La transmitancia de la radiación visible e infrarroja es del 85%, mientras que la del infrarrojo lejano es del 2%, lo que evita pérdidas de calor. El plástico tiene una transmitancia menor y se degrada con la radiación UV.

7. Colectores Solares

Los colectores solares aprovechan el calor del agua para generar ACS y calefacción. Son elementos de calefacción solar activa, ya que están adosados al edificio. Absorben radiación directa y difusa. Los primeros sistemas fueron desarrollados por Barley en 1909. Los más habituales son los de tubo metálico y placa: una doble capa de vidrio evita pérdidas de calor; el fluido puede subir al depósito por convección natural o forzada mediante una bomba; la capa absorbente aumenta la absortividad en la longitud de onda del espectro solar recubriéndola con un semiconductor y metal que tiene alta conductividad térmica. Los tubos evaporadores son tubos metálicos pintados de negro, con vacío entre los tubos para evitar pérdidas por convección, son caros y frágiles, y solo transmiten por radiación.

Ecuación de Hottel-Whillier: Pn = τ·α·Ap·ν - (Tp-Ta)/Rl = ηsp·A·ν; donde τ es la transmitancia del vidrio; ν es la irradiación; α es la absortancia de la placa; ηsp es la eficiencia de captura de radiación de la placa. La potencia útil es Pu = ηpf·Pn; donde ηpf es la eficiencia de la placa al fluido, que es constante e igual a 0.85.