ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Técnicas para su aprovechamiento

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA

Técnicas para su aprovechamiento

Pedro Rufes Martínez

Colección Nuevas energías, 4

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA - Técnicas para su aprovechamiento

© Pedro Rufes Martínez, 2010

© 2010 MARCOMBO, S.A.

Gran Via de les Corts Catalanes, 594

08007 Barcelona

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ISBN: 978-84-267-1863-1

D.L.:

Impreso en

Printed in Spain

ÍNDICE

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1 El sistema energético

1.2 Las energías renovables

1.2.1 Energía de la biomasa

1.2.2 Energía eólica

1.2.3 Energía geotérmica

1.2.4 Energía hidráulica

1.2.5 Energía mareomotriz

1.2.6 Energía undimotriz

1.2.7 Energía maremotérmica

1.2.8 Energía osmótica

1.2.9 Energía solar

1.3 La energía solar térmica en el mundo

1.4 La energía solar térmica en Europa

CAPÍTULO 2. LA RADIACIÓN SOLAR

2.1 El Sol, fuente de energía

2.1.1 Terminología básica

2.1.2 La constante solar

2.1.3 El espectro solar

2.2 Influencia de la atmósfera

2.3 El balance energético en la Tierra

2.4 El movimiento Tierra-Sol

2.4.1 Ángulos básicos

2.4.2 El tiempo solar

2.4.3 Ángulos relativos a superficies inclinadas

2.5 Irradiación solar extraterrestre

2.6 Irradiación solar terrestre

2.7 Medición de la radiación solar

2.8 Fundamentos físicos del aprovechamiento de la energía solar

2.8.1 El cuerpo negro

2.8.2 Absorbancia

2.8.3 Emitancia

2.8.4 Superficies selectivas

CAPÍTULO 3. LAS INSTALACIONES SOLARES TÉRMICAS

3.1 Descripción de una instalación solar térmica

3.2 Clasificación de las instalaciones solares térmicas

3.2.1 Clasificación según el principio de circulación

3.2.2 Clasificación según el sistema de expansión

3.2.3 Clasificación según el sistema de intercambio

3.2.4 Clasificación según el sistema auxiliar

3.2.5 Clasificación según la aplicación

CAPÍTULO 4. EL SISTEMA DE CAPTACIÓN

4.1 Descripción y clasificación de los captadores solares

4.2 Componentes del captador plano

4.2.1 Cubierta transparente

4.2.2 Placa absorbente

4.2.3 Tubos de intercambio

4.2.4 Aislamiento

4.2.5 Carcasa

4.3 Balance energético

4.4 Rendimiento térmico

4.5 Conexionado de los captadores

4.6 Área total, área de apertura y área del absorbedor

4.7 Estructura de soporte

4.8 Distancia mínima entre filas de captadores

CAPÍTULO 5. EL SISTEMA DE INTERCAMBIO

5.1 Mecanismos de transmisión de calor

5.1.1 Transmisión de calor por conducción

5.1.2 Transmisión de calor por convección

5.1.3 Transmisión de calor por radiación

5.1.4 Resistencia térmica

5.1.5 El coeficiente global de transmisión de calor

5.2 Descripción y clasificación de los intercambiadores de calor

5.2.1 Intercambiadores internos

5.2.2 Intercambiadores externos

5.3 Eficiencia del intercambiador

5.4 Factor captador-intercambiador

5.4.1 Cálculo del intercambiador

CAPÍTULO 6. EL SISTEMA DE ACUMULACIÓN

6.1 Descripción

6.2 La estratificación de las temperaturas

6.3 El aislamiento

6.4 Clasificación de los acumuladores

6.4.1 Clasificación según la posición

6.4.2 Clasificación según el material

6.4.3 Clasificación según el sistema de intercambio

6.5 Dimensionado del sistema de acumulación

CAPÍTULO 7. EL SISTEMA HIDRÁULICO

7.1 Componentes del sistema hidráulico

7.2 Tuberías

7.2.1 Dilatación térmica

7.2.2 Cálculo de tuberías y pérdidas de carga

7.2.3 Aislamiento

7.3 Válvulas

7.3.1 Válvulas de esfera

7.3.2 Válvulas de asiento

7.3.3 Válvulas de resorte

7.3.4 Válvulas de clapeta

7.3.5 Válvulas de equilibrado

7.3.6 Válvulas termostáticas

7.4 Bombas de recirculación

7.4.1 Requisitos de las bombas de circulación

7.4.2 Cálculo de la bomba

7.5 Vasos de expansión

7.5.1 Tipología

7.5.2 Cálculo de vasos de expansión según la norma UNE 100155

7.5.3 Cálculo del vaso de expansión del circuito primario

7.6 Elementos accesorios

7.6.1 Disipadores de calor

7.6.2 Purgadores de aire

7.6.3 Reductores de presión

7.6.4 Manómetros

7.6.5 Termómetros

7.6.6 Conjuntos prefabricados

7.6.7 Contadores de energía

7.7 Fluido caloportador

CAPÍTULO 8. EL SISTEMA AUXILIAR

8.1 Introducción

8.2 Conexión del sistema auxiliar con la instalación solar

8.2.1 Sistema auxiliar en serie con la acumulación solar

8.2.2 Sistema auxiliar-acumulador en serie con la acumulación solar

8.2.3 Sistema auxiliar en paralelo con la acumulación solar

8.3 Dimensionado del sistema auxiliar

CAPÍTULO 9. EL SISTEMA DE CONTROL

9.1 Sensores

9.2 Termostato diferencial

9.3 Actuadores

9.4 Control del proceso de carga del acumulador solar

CAPÍTULO 10. APLICACIONES

10.1 Climatización de piscinas

10.1.1 Circuito abierto

10.1.2 Circuito cerrado

10.2 Producción de ACS

10.2.1 Producción de ACS centralizada y acumulación distribuida

10.2.2 Producción de ACS centralizada y acumulación centralizada

10.2.3 Producción de ACS centralizada, acumulación centralizada e intercambiador individual

10.3 Calefacción

10.4 Refrigeración

10.4.1 La refrigeración por absorción

10.4.2 El ciclo de absorción de simple efecto

10.4.3 El ciclo de absorción de doble efecto

10.4.4 La absorción rotativa

10.4.5 Instalaciones de pequeña y media potencia para producción de ACS, apoyo a calefacción y producción de frío

10.4.6 Instalación para producción de agua caliente sanitaria, apoyo a calefacción y producción de frío en instalaciones de gran tamaño

CAPÍTULO 11. CÁLCULO DE INSTALACIONES

11.1 El Código Técnico de la Edificación

11.2 Contribución solar mínima

11.3 Cálculo de la energía solar disponible

11.4 Cálculo de la demanda de energía en instalaciones de ACS

11.5 Cálculo de la demanda de energía en la climatización de piscinas

11.6 Cálculo de la demandas de calefacción y refrigeración

11.6.1 El método de los grados-día

11.6.2 Cálculo aproximado de la carga térmica

CAPÍTULO 12. PREVENCIÓN DE LA LEGIONELOSIS

ANEXO I. NORMATIVA APLICABLE

ANEXO II. TABLAS DE REFERENCIA

ANEXO III. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN

ANEXO IV. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS DE RADIACIÓN SOLAR POR SOMBRAS

ANEXO V. MÉTODOS DE CÁLCULO

BIBLIOGRAFÍA

PRESENTACIÓN

Constituye una satisfacción presentar este libro de mi amigo y compañero durante ya bastantes años, el profesor Pedro Rufes. En realidad soy mayor que él, no en vano fue alumno mío en sus estudios de Ingeniería, en aquellos lejanos tiempos en los que las carreras eran presenciales y sólidas como atestigua su formación, enmarcada vocacionalmente en el ámbito de las instalaciones térmicas. Sin embargo, la diferencia de edad nunca ha sido óbice para una colaboración fructífera en lo profesional y personal. Más si cabe teniendo en cuenta que en el año 2004 iniciamos la aventura de crear la Asociación Catalana del Hidrógeno y las Energías Renovables, de la que él es vocal de la Junta de Gobierno y yo secretario. Los dos somos profesores del Departamento de Mecánica de Fluidos de la EUETIB-UPC y durante varios años consecutivos participamos en el proyecto CIFGE (Centro de Investigación, Formación y Gestión Empresarial) desde el cual llevamos a cabo numerosos cursos relacionados con la energía solar, fotovoltaica y ahorro energético con gran éxito.

Hemos colaborado en diversas obras: Torres de refrigeración, Ciclos frigoríficos y Fluidos frigoríficos, las tres de la editorial CEAC, y en numerosos artículos y ponencias que sería prolijo enumerar.

Este libro, suyo en solitario, constituye la culminación de su experiencia en el campo de la energía solar térmica, libro muy interesante, sólido, riguroso y ameno, no en balde el profesor Rufes atesora también una dilatada experiencia en el terreno profesional además del docente.

El lector que acierte a leer este libro encontrará que lo descrito en él no sólo abarca los aspectos teóricos del tema, que son importantes, sino también los prácticos, que lo son todavía más. Con numerosos ejemplos y esquemas que hacen más inteligible la explicación.

Las instalaciones de energía solar térmica tienen sus fanáticos defensores y también sus detractores. Seamos razonables pensando aquello de “ni tan bueno ni tan malo”. En realidad algunas instalaciones solares se han ganado mala fama simplemente porque funcionan mal, lo cual equivale a decir que no están correctamente diseñadas. Se trata de no dar munición a los detractores; dejemos la discusión de fondo para los expertos y economistas, pero al menos que la instalación "funcione", por este motivo creo que obras como ésta son tan importantes.

Dr. Ángel L. Miranda

Profesor de la EUETIB-UPC

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

1.1 El sistema energético

La energía es el motor de todas las actividades de los seres vivos sobre el planeta, incluidas las de los seres humanos. Las fuentes de energía son los recursos existentes en la naturaleza de los que la humanidad puede obtener energía para sus actividades. Estas fuentes de energía se denominan renovables cuando se puede recurrir a ellas de forma permanente porque son inagotables: por ejemplo, el sol, el agua o el viento. Por el contrario, las no renovables son aquellas fuentes de energía cuyas reservas son limitadas y, por tanto, pueden agotarse: por ejemplo, el petróleo o el carbón. A medida que las reservas son menores, es más difícil su extracción y aumenta su coste.

La energía que se obtiene de la naturaleza se denomina energía primaria: por ejemplo, el petróleo o el carbón. La energía primaria no puede utilizarse directamente; para poder utilizarla son necesarias sucesivas operaciones de transformación y transporte, desde el yacimiento a la planta de transformación, y luego al consumidor final. La energía utilizada en los puntos de consumo se denomina energía final: por ejemplo, la electricidad y el gas natural consumidos en las viviendas, o la gasolina y el gasóleo consumidos por los vehículos.

El rendimiento de todo el conjunto de operaciones de transformación y transporte, es decir del sistema energético, es la relación entre la energía final consumida y la energía primaria empleada. Dicho rendimiento es muy bajo: del orden del 2,5%.

Los principales problemas del actual sistema energético son los siguientes:

1. Agotamiento de los combustibles fósiles

El sistema energético actual se basa en el consumo de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), que son agotables. El ritmo de consumo es tal, que en un pequeño intervalo de tiempo la humanidad está gastando lo que la naturaleza ha tardado cientos de millones de años en producir. El agotamiento de las reservas de los combustibles fósiles es, por tanto, una realidad indiscutible.

La teoría del pico de Hubbert predice que la producción mundial de petróleo llegará a su cénit y después declinará tan rápido como creció, ya que el petróleo es un recurso finito y no renovable en períodos de tiempo cortos, por lo que tarde o temprano se llegará al límite de extracción. Esta controvertida teoría es aceptada por una gran parte de la comunidad científica e, incluso, por la industria petrolera.

Sin embargo, existe un gran debate en torno a la predicción de cuándo tendrá lugar el pico o cénit. La ASPO (Association for the Study of Peak Oil and Gas) prevé que el cénit del petróleo ocurra en el año 2010, siendo el del gas natural algunos años más tarde, entre el 2015 y el 2025. En el año 2000 el USGS (United States Geological Survey) realizó un estudio global sobre el estado de las reservas de crudo y predijo el cénit para el año 2037. Según el EWG (Energy Watch Group), en el año 2006 ya pasamos el cénit del petróleo.

2. Efecto invernadero y cambio climático

El efecto invernadero, en la Tierra, es la capacidad de retener calor que tiene la atmósfera debido a la existencia de gases que son transparentes a la radiación solar y opacos a la radiación infrarroja que emite la superficie terrestre. Se trata de un fenómeno necesario para el desarrollo de la vida en la Tierra, puesto que sin éste la temperatura media en su superficie sería de unos -20 °C. El consumo de combustibles fósiles se traduce inevitablemente en emisiones de dióxido de carbono (CO₂) a la atmósfera, siendo responsables de casi el 80% de las emisiones totales de dióxido de carbono a la atmósfera.

Aunque el debate todavía sigue abierto, una gran parte de la comunidad científica internacional está de acuerdo en que el dióxido de carbono producido por la actividad humana es el principal causante del cambio climático debido al calentamiento global de la atmósfera. Si no se remedia, un aumento excesivo de la temperatura media del planeta podría llegar a tener graves consecuencias, como la elevación del nivel del mar y la consecuente inundación de las zonas costeras, y la desertización de algunas zonas del planeta. Paradójicamente, los países pobres son los que sufrirán de forma más intensa las consecuencias del cambio climático.

3. Impacto ambiental y lluvia ácida

La interacción del sistema energético con el entorno terrestre no termina en los gases. El trasiego de materias primas y de productos ocasiona interacciones muy variadas: residuos asociados a la extracción y a la transformación (refinerías, centrales térmicas y nucleares), vertidos asociados al transporte y a la distribución, etc.

Por otro lado, la combustión de combustibles fósiles libera una importante cantidad de óxidos de azufre y nitrógeno que reaccionan con el radical OH en la atmósfera y precipitan en forma de ácidos (sulfúrico y nítrico) que incrementan la acidificación de agua en general. Esta precipitación, denominada lluvia ácida, daña la vegetación, y contamina el suelo y el agua, además de corroer estructuras y vehículos.

4. Desequilibrio y tensiones sociales

Si al enorme desequilibrio que existe entre países ricos y pobres se añade que los recursos energéticos están concentrados en unos pocos lugares del planeta, vemos que el actual sistema energético plantea un escenario poco tranquilizador para el equilibrio social y político mundial.

En los países industrializados la gran mayoría de la población dispone de la energía necesaria para poder vivir de forma muy confortable. Se podría pensar que el consumo energético está uniformemente distribuido en nuestro planeta, pero no es así.

En la figura 1.1 puede comprobarse que Norteamérica, que representa sólo el 6,7% de la población mundial (comprende Estados Unidos, Canadá y Méjico), consume el 26% de la energía primaria mundial.

Figura 1.1. Distribución mundial del consumo de energio primaria durante el año 2007.(Fuente: BP Statistical Review of World Energy 2008).

Comentarios sobre este gráfico:

La Tonelada Equivalente de Petróleo (tep), o Tone Oil Equivalent (toe), representa la energía liberada en la combustión de una tonelda métrica de petróleo estándar.

1 tep = 41, 84x109 J = 11.622 kWh.

1Mtep = 1 millón de toneladas equivalentes de petróleo.

La energía primaria representada está referida únicamente a los combustibles comerciales. Los combustibles combo la madeta, la turba y los residuos de animales se han excluido porque la información relativa a consumos no es confiable. También se han excluido energías eólica, geotérmica y solar.

En el caso de la energía hidráulica y de la nuclear, la energía primaria se ha obtenido calculando la cantidad equivalente de combustrible fósil que se necesitaría para generar la misma cantidad de energía eléctrica en una central térmica, considerando una eficiencia en la conversión del 38% (la media en los países que integran la OCDE, Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico).

La figura 1.2 es el mapa mundial de consumo energético per cápita, en toneladas equivalentes de petróleo (tep), durante el año 2007. La mayor parte de África, junto con Sudamérica (exceptuando Argentina, Chile y Venezuela) y el sureste asiático, consumieron menos de 1,5 tep. La mayor parte de Europa occidental consumió entre 3 y 4,5 tep. El consumo de energía en Estados Unidos, Canadá, Bélgica, Luxemburgo, Islandia, Noruega, Kuwait, Qatar, Arabia Saudita, Emiratos Árabes y Singapur superó las 6 tep.

Figura 1.2. Consumo energético per cápita durante el año 2007.(Fuente: BP Statistical Review of World Energy 2008).

La población de nuestro planeta está experimentando un crecimiento sin precedentes. La gran mayoría de estudios especializados sobre este tema coinciden en señalar que tanto la población como el consumo de energía crecerán considerablemente. El rápido crecimiento económico que han empezado a experimentar países con una gran población, como China y la India, es un hecho muy importante que debe tenerse en cuenta. Los problemas del actual sistema energético tenderán a acentuarse todavía más.

El Informe Mundial de la Energía ya afirmaba en el año 2000 que el sistema energético global no era suficientemente fiable o asequible como para soportar un crecimiento económico generalizado.

Por tanto, la única solución para conseguir un reparto más justo de los recursos energéticos y preservar el medioambiente es la puesta en marcha de políticas que fomenten el ahorro energético y el uso racional de la energía.

El 7 de noviembre de 2007, Fatih Birol, economista jefe de la IEA (International Energy Agency), en una entrevista que le hicieron dos redactores del Financial Times en Londres, declaró: “Si juntamos ambas cosas, la seguridad a corto plazo, la seguridad a medio plazo de nuestros mercados del petróleo, más el cambio climático, consecuencia de nuestro uso energético, mi mensaje es que si no hacemos algo muy rápido y de manera valiente, las ruedas pueden salirse. Las ruedas de nuestro sistema energético pueden salirse. Este es el mensaje que queremos dar.”

La solución se halla en el desarrollo sostenible. Este término fue formalizado por primera vez en el año 1987 en el Informe Brundtland, fruto de los trabajos de la Comisión Mundial de Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas. Desarrollo sostenible es aquel que responde a las necesidades del momento presente sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras de responder a las suyas.

Son tres los componentes del desarrollo sostenible: el desarrollo económico, el desarrollo social y la protección del medio ambiente. Son tres componentes independientes que, a su vez, se refuerzan mutuamente.

Desde un punto de vista energético, el desarrollo sostenible sólo es posible si el sistema energético también lo es. Un sistema energético sostenible debe basarse en las energías renovables y en políticas que promuevan la eficiencia y el ahorro energético.

1.2 Las energías renovables

Las energías pueden clasificarse, en función de las reservas disponibles de las fuentes de energía y de su capacidad de regeneración, en energías renovables y energías no renovables (tabla 1.1).

Las energías renovables son aquellas que provienen de fuentes de energía virtualmente inagotables debido a la inmensa cantidad de energía que contienen, o cuyo ritmo de regeneración natural es muy superior al de consumo.

Tabla 1.1. Clasificación de las fuentes de energía.

Las energías no renovables son aquellas que provienen de fuentes de energía que se encuentran disponibles en la naturaleza en cantidades limitadas, o cuyo ritmo de consumo es muy superior al de regeneración natural. Es muy difícil cuantificar las reservas de fuentes primarias no renovables disponibles en el planeta y, debido a ello, hay una gran disparidad en los valores comunicados, especialmente cuando se consideran criterios de tipo económico.

Las energías renovables pueden dividirse en dos categorías: contaminantes y no contaminantes.

Las energías renovables contaminantes son aquellas que se obtienen de la materia orgánica o biomasa. El uso de estas energías conlleva emisiones de dióxido de carbono, hollines y otras partículas sólidas, motivos por los cuales se califican como contaminantes.

Las energías renovables no contaminantes, también denominadas energías limpias o verdes, son aquellas que durante su obtención o su uso no se emiten subproductos que puedan perjudicar el medio ambiente.

1.2.1 Energía de la biomasa

Es la energía solar almacenada en los seres vivos por medio del proceso de fotosíntesis (vegetales) y la digestión de estos vegetales por los animales.

Existen tres fuentes de energía de la biomasa:

 De origen vegetal (biomasa natural, cultivos energéticos).

 De origen animal (excrementos y purines).

 De origen humano (residuos sólidos urbanos, lodos procedentes de centrales depuradoras y potabilizadoras de agua).

La biomasa puede utilizarse directamente como combustible, para producir calor (leña u otra materia vegetal sólida), o bien para producir electricidad, evaporando agua y obligando al vapor circular a través de una turbina (figura 1.3). También se puede transformar en biocombustibles (biodiésel, bioetanol, biogás, etc.).

La energía de la biomasa presenta impactos ambientales negativos y positivos, por este motivo es considerada por muchos expertos como una energía contaminante.

Figura 1.3. Central de biomasa.(Fuente: Unesa).

1.2.2 Energía eólica

Es la energía que se obtiene del viento. El Sol provoca en la Tierra diferencias de presión que dan lugar a los vientos. Las masas de aire atmosférico se desplazan desde las áreas de alta presión atmosférica hacia las de baja presión.

Las aplicaciones más comunes de la energía eólica son: navegación (veleros), bombeo de agua y generación de electricidad. El dispositivo que convierte la energía cinética del viento en energía eléctrica es el aerogenerador o generador eólico (figura 1.4).

Figura 1.4. Aerogeneradores.

1.2.3 Energía geotérmica

En un sentido muy amplio, es la energía térmica contenida en el interior de la Tierra. En la corteza terrestre existen amplias zonas estables con flujos de calor que corresponden a gradientes térmicos de 2÷4 °C cada 100 m de profundidad (energía geotérmica de baja temperatura), y también existen zonas con flujos de calor mucho más elevados, que corresponden a gradientes térmicos de 20÷30 °C cada 100 m de profundidad (energía geotérmica de alta temperatura). Cuando en una zona se cumplen las condiciones necesarias para poder explotar económicamente la energía geotérmica de su subsuelo, se dice que allí existe un yacimiento geotérmico. Existen varios tipos de yacimientos geotérmicos:

 Yacimientos de alta temperatura (figura 1.5). Existen únicamente en las zonas activas de la corteza. Un yacimiento de estas características está formado por una fuente de calor magmático, una roca permeable que almacena el fluido a alta temperatura (entre 150 y 350 °C) y una capa superior formada por rocas impermeables. Normalmente esta capa superior impermeable no es perfecta, por lo que el fluido se escapa a través de grietas dando lugar a géiseres, fumarolas, fuentes termales, etc. El agua caliente o el vapor se utilizan para accionar turbinas de vapor y producir electricidad (centrales geotérmicas). En afloramientos naturales, el agua y los gases calientes se utilizan directamente para producir agua caliente para usos residenciales, industriales o agrícolas.

 Yacimientos de media temperatura. El fluido está a temperaturas menos elevadas, normalmente entre 100 y 150 °C. Se puede producir electricidad mediante el uso de ciclos binarios, que hoy en día presentan todavía rendimientos termodinámicos muy bajos. La mejor forma de aprovechar este calor es en sistemas de calefacción y/o refrigeración (máquinas de absorción).

Figura 1.5. Yacimiento de alta temperatura.

 Yacimientos de baja temperatura. Se encuentran en zonas estables de la corteza, es decir con flujos de calor normales. La única condición geológica requerida en estos casos es la existencia, a la profundidad adecuada (entre 1.500 y 2.500 m), de materiales geológicos permeables capaces de contener y dejar circular fluidos que extraigan el calor a la roca. Existe, no obstante, una segunda condición no geológica, sino económica. Debido al bajo nivel térmico del fluido (entre 60 y 100 °C), éste ha de ser utilizado en aplicaciones directas del calor (producción de agua caliente para usos residenciales, industriales o agrícolas), lo que requiere la existencia en las proximidades del yacimiento de una demanda energética suficiente.

 Yacimientos de muy baja temperatura. Cuando la temperatura del fluido es muy baja (entre 20 y 30 °C), éste puede utilizarse para producir agua caliente sanitaria y en sistemas de climatización mediante bomba de calor.

1.2.4 Energía hidráulica

Se obtiene del aprovechamiento de la energía potencial gravitatoria asociada a los saltos de agua y a los cursos de los ríos. Es considerada como una energía limpia cuando su impacto ambiental es bajo y aprovecha la energía del agua sin necesidad de presas; en caso contrario se considera sólo como una energía renovable. Su origen se halla en el ciclo del agua: el Sol evapora el agua de los lagos, mares y ríos, cae en forma de lluvia y nieve sobre la superficie y retorna al mar, reiniciándose el ciclo.

Las centrales hidroeléctricas aprovechan los saltos de agua para accionar unas turbinas que a su vez mueven un generador eléctrico (figura 1.6). Pueden clasificarse en función de su potencia o tamaño,

 Microcentrales: son aquellas centrales cuya potencia es inferior a 1 MW.

 Minicentrales o centrales minihidráulicas: centrales con potencias inferiores a los 10 MW. Incluyen a las anteriores.

 Centrales hidráulicas de mediana potencia: centrales con potencias comprendidas entre 10 y 50 MW.

 Centrales hidráulicas de gran potencia: centrales con potencias superiores a los 50 MW.

Las centrales minihidráulicas tienen un ordenamiento administrativo y económico específico, distinto al de las centrales hidroeléctricas de mayor potencia.

La energía hidráulica es renovable, puesto que la fuente primaria no se agota al explotarla, y también es limpia, ya que su explotación no produce sustancias contaminantes de ningún tipo. Sin embargo, el impacto ambiental causado por las grandes presas puede ser alto: inundación de grandes áreas de terreno, movimientos migratorios de la población que ocupaba las zonas inundadas, pérdida de biodiversidad, pandemias y aumento de la salinidad de los cauces fluviales, entre otros. Desde el punto de vista del impacto ambiental, las centrales minihidráulicas son las más respetuosas con el medio ambiente. Por este motivo, aunque en la UE se considera toda la energía hidráulica como renovable, en España sólo se concede este calificativo a las centrales minihidráulicas.

Figura 1.6. Esquema de una central hidráulica a pie de presa.

1.2.5 Energía de las mareas

Esta energía, también denominada mareomotriz, es debida a las fuerzas gravitatorias entre la Luna, la Tierra y el Sol, que originan las mareas. Éstas se producen a consecuencia de la diferencia de altura media de los mares, según la posición relativa entre estos tres astros. Esta diferencia de alturas puede ser aprovechada en determinados puntos del planeta (golfos, bahías o estuarios) por medio de turbinas hidráulicas que se interponen en el movimiento natural de las aguas (figura 1.7). Mediante el acoplamiento de la turbina a un alternador se puede generar electricidad.

La energía mareomotriz tiene la cualidad de ser renovable en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia, porque no se producen subproductos contaminantes durante la fase de explotación. Sin embargo, el impacto ambiental que causan es alto, lo que impide la proliferación de este tipo de energía.

Figura 1.7. Central eléctrica mareomotriz ubicada en el estuario del río Rance.

El mar y los océanos también proporcionan otros tipos de energía: la energía del oleaje y la energía maremotérmica.

1.2.6 Energía del oleaje

Es la energía producida por el movimiento de las olas, también denominada undimotriz. Las olas se forman por la acción del viento; cuando el viento sopla con mucha intensidad, las olas alcanzan un gran tamaño y corren sobre la superficie marina a gran velocidad. El oleaje transporta gran cantidad de energía, que va cediendo a medida que interacciona con el fondo cuando las profundidades son reducidas, y en la costa, donde finalmente rompe. La energía del oleaje puede aprovecharse para generar electricidad (figuras 1.8 y 1.9).

Figura 1.8. Principio de funcnamiento de una central eléctrica undimotriz.

Figura 1.9. La serpiente marina o Pelamis es otro tipo de central undimotriz

1.2.7 Energía maremotérmica

La energía maremotérmica OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion), basada en el gradiente térmico oceánico, consiste en convertir en energía útil el gradiente térmico que existente entre las aguas superficiales y las profundas. Para poder a provecher la energía maremotérmica es necesario que el gradiente térmico sea de 20 °C como mínimo. Este gradiente térmico oceánico puede utilizarse para producir electricidad (figura 1.10). El agua caliente de la capa superior oceánica actúa como fuente de calor, mientras el agua extraída de las profundidades actúa como refrigerante (figura 1.11).

Figura 1.10. Imagen conceptual de una central maremotérmica flotante de ciclo cerrado proyectada por la empresa Lockheed.

Figura 1.11. Esquema de principio de una central maremotérmica.

1.2.8 Energía osmótica

La energía osmótica, o energía azul, es la energía obtenida por la diferencia en la concentración de sal (diferencia de presión osmótica) entre el agua dulce procedente de los ríos y el agua salada de los océanos. Así pues, como su propio nombre indica, esta energía se basa en el fenómeno natural de la osmosis: si entre dos depósitos que contienen agua dulce y agua salada, respectivamente, se coloca una membrana semipermeable (membrana que retiene la sal, pero permite el paso del agua), se podrá observar un flujo neto de agua hacia el depósito del agua salada (figura 1.12). Debido a ello, la presión en el lado del agua salada aumentará. Con esta presión, a través de una turbina y de un alternador, se puede producir electricidad (figura 1.13).

La energía osmótica tiene un gran potencial, en comparación con otras fuentes de energías renovables. Además, la producción de energía es estable y predecible. El consorcio noruego Statkraft está construyendo la primera central osmótica del mundo. Esta planta piloto está ubicada en un fiordo, a unos sesenta kilómetros de la ciudad de Oslo.

Figura 1.12. El fenómeno de la osmosis.

Figura 1.13. Esquema de una central osmótica.(Fuente: Statkraft).

1.2.9 Energía solar

La energía solar es la energía obtenida directamente del Sol. Aparte de su uso como fuente de iluminación, la radiación solar que incide en la Tierra puede aprovecharse de dos maneras:

 Transformación de la radiación solar en calor: se denomina energía solar térmica (figura 1.14). Consiste en transformar la radiación solar en calor, que puede aprovecharse para producir agua caliente destinada al consumo doméstico (calentamiento de piscinas, agua caliente sanitaria, calefacción, refrigeración por absorción). El calor también puede utilizarse para producir energía mecánica mediante un ciclo termodinámico y, a través de un alternador, generar energía eléctrica: es la denominada energía solar termoeléctrica (figura 1.15).

Figura 1.14. Instalación de energía solar térmica (producción de agua caliente sanitaria).

Figura 1.15. Central solar de torre.(Fuente: Unesa).

 Transformación de la radiación solar en electricidad: se denomina energía solar fotovoltaica (figura 1.16). Esta transformación se lleva a cabo en los elementos semiconductores que integran los paneles solares fotovoltaicos. La electricidad puede ser utilizada de forma directa, almacenada en baterías, e incluso se puede inyectar en la red de distribución eléctrica.

Figura 1.16. Instalación de energía solar fotovoltaica.

1.3 La energía solar térmica en el mundo

La contribución de la energía solar térmica al consumo energético mundial es muy escasa todavía, aunque se perciben síntomas de cambio que permiten encarar el futuro con un cierto optimismo. Existe un creciente interés por la energía solar térmica; muchos países del mundo están apoyando esta energía con subvenciones y ayudas económicas; los captadores solares están experimentando reducciones en sus precios en algunos mercados especialmente activos, como China o Japón. Se trata, en definitiva, de una tecnología madura que ha experimentado un significativo avance durante los últimos años.

En la actualidad la capacidad o potencia de energía solar instalada en el mundo supera a la de otras renovables con altos índices de desarrollo, como es el caso de la energía eólica. Con una potencia instalada de 128 GW térmicos a finales del año 2.006 (datos del Solar Heat Worldwide 2006, edición de 2.008, considerando 48 países que representan el 60% de la población mundial y el 85-90% del mercado mundial de solar térmica), la solar térmica ha alcanzado unos niveles de popularidad impensables tan solo hace unos años. Actualmente, la mayoría de captadores solares instalados en el mundo se utilizan en viviendas unifamiliares para la producción de agua caliente sanitaria.

La figura 1.17 permite conocer la potencia instalada en cada uno de los diez primeros países del mundo. También muestra cómo se usan en estos países los distintos tipos de captadores (captadores de plástico sin cubierta, captadores planos y captadores de tubos de vacío).

Mientras que en China, líder mundial por capacidad, predominan los captadores de tubos de vacío, en Estados Unidos predominan los captadores plásticos sin cubierta. Sólo en Australia pasa lo mismo que en Estados Unidos; en los restantes países predominan los captadores planos.

Figura 1.17. Potencia instalada en los diez primeros países del mundo a finales de 2.006, correspondiente a captadores solares de agua.

1.4 La energía solar térmica en Europa

Según el informe de EurObserv'ER Solar Thermal Barometer 2008, la superficie total de captadores solares térmicos instalados en la Unión Europea es de unos 24 millones de metros cuadrados. Tras dos años de fuerte crecimiento, el mercado solar térmico se ralentizó durante el año 2.007.

En la gráfica de la figura 1.18 puede observarse que la superficie de captación instalada decreció ligeramente, después de cuatro años de sucesivo crecimiento. A pesar de ello, la superficie de captación instalada en 2.007 fue de unos 2,9 millones de m², equivalente a 2.000 MW térmicos.

Figura 1.18. Evolución de la superficie de captación instalada anualmente en la UE desde 1994 en metros cuadrados(Fuente: EurObserv'ER, Solar Thermal Barometer 2008).

El mismo informe señala que la rebaja se debe en gran parte a la fuerte caída del mercado alemán, el mayor de la UE. Sin embargo, otros países continúan desarrollando sus mercados y muestran tasas de crecimiento importantes. Así, y a excepción de Austria (también con un mercado maduro, como el alemán) han sido muchos los mercados del sector que han crecido.

En la tabla 1.2 puede comprobarse que Francia ha pasado de 301.000 m² nuevos instalados en 2.006 a los 329.000 m² de 2.007. Italia ha pasado de 186.000 a 247.475 m². Grecia ha crecido desde los 240.000 hasta los 284.000 m². España ha instalado en 2.007 262.000 m², mientras que en el año anterior se instalaron 175.000 m². Austria ha sido el único que ha rebajado la superficie instalada, junto con Alemania, pasando de 299.600 a 289.680 m². Los demás países de la UE no superan los 100.000 m²/año, pero casi todos han incrementado sus mercados en el año 2.007. Hay solo una excepción entre los mercados de tamaño medio: Bélgica, que bajó en unos 2.000 m².

Por otro lado, los captadores con cubierta siguen dominando el mercado en la UE, con un 94,5% de las ventas. Estos captadores comprenden los planos (85,9%) y los de tubo de vacío (8,6%). El 5,5% restante es la cuota correspondiente a los captadores sin cubierta.

Tabla 1.2. Superficie de captación instalada en los años 2.006 y 2.007 en la UE, desglosada por países y por tipo de captador.(Fuente: EurObserv'ER, Solar Thermal Barometer 2008).

El informe señala que la bajada del mercado alemán es coyuntural, y la achaca, por un lado al aumento del VAT (Value Added Tax, equivale al IVA) en Alemania a inicios de 2.007, y por otro, a una rebaja en las subvenciones. Sin embargo, las subvenciones se han vuelto a ajustar al alza en 2.008. Para la primera mitad de 2.008, el crecimiento en Alemania se ha situado en un 50%. Sin embargo, Austria no muestra señales de recuperación. El actual clima económico tampoco ayudará en la recuperación de las altas tasas de crecimiento que tuvieron lugar en los años 2.005 y 2.006. Esta situación contribuye a que el barómetro solar térmico de EurObserv’ER revise a la baja las expectativas para el sector hasta el año 2.010, situándose en los 35.000.000 de m² en lugar de los 100.000.000 m2 marcados en el Libro Blanco.

El informe señala que en el año 2.007 se instalaron en España 262.000 m², lo que representa un crecimiento de casi el 50% con respecto al año anterior. Además, este dato todavía no refleja el impulso del Código Técnico de la Edificación (CTE), que obliga a instalar un aporte de energía solar para agua caliente en todas las viviendas de nueva construcción, puesto que la mayor parte de los edificios construidos en 2.007 fueron autorizados antes de la entrada en vigor del CTE a finales de septiembre de 2.006. El Plan de Energías Renovables (PER) plantea alcanzar una superficie instalada de 4,9 millones de metros cuadrados para el año 2.010.

Los mercados italiano y griego son prometedores, aunque Italia necesita ratificar la directiva europea sobre la eficiencia energética en los edificios. Además, la cifra de 247.000 m² nuevos durante el año 2.007 está pendiente de confirmación. El informe también augura una aceleración del crecimiento del mercado francés.

En la tabla 1.3 se indica la superficie de captación solar térmica total o acumulada en la UE, desglosada por países. La suma de la superficie total en 2.006 más la superficie instalada en 2.007 para un determinado país dará como resultado una superficie que, generalmente, será mayor que la superficie total en 2.007 para aquel mismo país. Por ejemplo, para Alemania: 8.574.000 (tabla 1.3) + 960.000 (tabla 1.2) = 9.534.000 m² > 9.484.000 m2 (tabla 1.3). El motivo es que el informe de EurObserv’ER tiene en cuenta que los captadores tienen un tiempo de vida útil, pasado el cual deben ser sustituidos. Por tanto, en el caso del ejemplo, una parte de los 960.000 m² sirve para reemplazar una superficie de captación ya existente.

Tabla 1.3. Superficie total o acumulada de captadores solares térmicos en la UE.(Fuente: EurObserv'ER, Solar Thermal Barometer 2008).

CAPÍTULO 2

LA RADIACIÓN SOLAR

2.1 El Sol, fuente de energía

El Sol es una estrella que se encuentra a una distancia de unos 150.000.000 km de la Tierra. De naturaleza gaseosa, tiene un diámetro aproximado de 1.400.000 km y una masa de 1,99 · 10³⁰ kg, y genera energía debido a las reacciones nucleares de fusión que tienen lugar en su núcleo, que está a una temperatura media de unos 15.000.000 °C. Saliendo del núcleo nos encontramos con un zona intermedia, y por encima suyo hallamos la zona convectiva, donde el calor se transmite por convección hacia la superficie. La superficie solar, denominada fotosfera, es el disco que podemos ver desde la Tierra. Más allá se encuentra la atmósfera solar, denominada cromosfera, una capa gaseosa que se extiende unos 10.000 km. La parte más exterior de la cromosfera se denomina corona, visible únicamente durante un eclipse total de Sol.

El Sol está constituido principalmente por hidrógeno (78% de su masa) y helio (20% de su masa). El Sol es un inmenso reactor nuclear de fusión que transforma cada segundo 600.000.000 de toneladas de hidrógeno en 596.000.000 de toneladas de helio. Se pierden, por tanto, 4.000.000 de toneladas de materia cada segundo, que se transforman en energía, unos 3,7·10²³ kW. Esta energía es irradiada al espacio siguiendo un patrón esférico. De esta energía llegan a nuestro planeta unos 1,74·10¹⁴ kW. Aunque ésta es sólo una pequeña parte de la energía generada por el Sol, equivale a unas 5.000 veces el consumo energético de toda la población de la Tierra.

2.1.1 Terminología básica

 Espectro solar: distribución espectral (en función de la longitud de onda o de la frecuencia) de la radiación electromagnética emitida por el Sol.

 Irradiación: energía incidente por unidad de superficie sobre un plano dado, obtenida por integración de la irradiancia durante un intervalo de tiempo determinado, normalmente una hora o un día. Se expresa en MJ/m2, para el intervalo de tiempo especificado.

 Irradiancia: potencia radiante incidente por unidad de superficie sobre un plano dado. Se expresa en W/m2.

 Radiación circunsolar: radiación dispersada por la atmósfera, de manera que parece provenir de la región del cielo adyacente al Sol. La radiación circunsolar causa la aureola solar.

 Radiación solar difusa: radiación solar hemisférica menos la radiación solar directa.

 Radiación solar directa: radiación solar incidente sobre un plano dado, procedente de un pequeño ángulo sólido centrado en el disco solar.

 Radiación solar extraterrestre: radiación solar recibida en los límites de la atmósfera terrestre.

 Radiación solar global: radiación solar hemisférica recibida en un plano horizontal.

 Radiación solar hemisférica: radiación solar incidente en una superficie plana dada, recibida desde un ángulo sólido de 2π estereorradianes (del hemisferio situado por encima de la superficie). Se tienen que especificar la inclinación y el azimut de la superficie receptora. La radiación solar hemisférica se compone de la radiación solar directa y de la radiación solar difusa (radiación solar dispersada en la atmósfera o reflejada por el suelo).

2.1.2 La constante solar

La constante solar es la irradiancia solar extraterrestre, incidente en un plano perpendicular a la dirección de esta radiación, cuando la Tierra está a la distancia media del Sol (149,5 · 10⁶ km). Según el World Radiation Center, el valor de la constante solar (Ics) es de 1.367 W/m², con una desviación máxima de ±7 W/m².

La figura 2.1 muestra la variación de la irradiancia solar con el tiempo. Esta variación depende de la actividad solar (ciclos solares) y de la distancia entre la Tierra y el Sol, que no es constante porque la órbita terrestre es elíptica.

Figura 2.1. Irradiancia solar extraterrestre (fuera de la atmósfera). (Fuente: ACRIM - Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor – http://www.acrim.com).

2.1.3 El espectro solar

La energía que emite el Sol llega a la Tierra en forma de ondas electromagnéticas que se desplazan por el espacio en todas las direcciones. Este efecto se llama radiación y hace referencia a un fenómeno físico vibratorio que se representa en forma de ondas. La cantidad de energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, que es el número de veces que la onda se repite completamente por unidad de tiempo. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía que transporta la onda. Las radiaciones electromagnéticas se propagan todas a una misma velocidad, 300.000 km/s en el vacío, distinguiéndose por su longitud de onda. La longitud de onda es la distancia entre dos puntos iguales de una onda, por ejemplo las crestas (figura 2.2).

Figura 2.2. Longitud de onda.

La radiación solar no llega únicamente en forma de luz visible: recibimos también radiación no visible para el ojo humano. La gama de radiaciones visibles para el ojo humano (espectro visible, figura n 2.3) abarca longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre 0,38 y 0,78 μm (1μm = 1 micrómetro o micra = 1·10⁻⁶ m). Es decir, dentro del espectro visible, las longitudes de onda menor y mayor corresponden a los colores violeta y rojo, respectivamente. Por lo tanto, la luz blanca del Sol que nosotros percibimos es, en realidad, la superposición de todos los colores. Con longitudes de onda mayores que la del rojo, están los infrarrojos, las microondas y las ondas de radio. Con longitudes de onda menores que la del violeta, están los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

Figura 2.3. Espectro electromagnético.

La figura 2.4 muestra la distribución espectral de la radiación solar extraterrestre. Esta gráfica se denomina espectro solar. La distribución de la radiación en el espectro solar, en función de la longitud de onda, es la que se indica en la tabla 2.1.

Figura 2.4. Espectro de la radiación solar extraterrestre (Thekaekara-NASA, 1973).

Tabla 2.1. Distribución del espectro de radiación solar que incide en la atmosfera extraterrestre (Thekaekara-NASA, 1973).

2.2 Influencia de la atmósfera

La radiación solar recibida por la superficie de la Tierra es menor que la que llega a la parte alta de la atmósfera, debido a distintos procesos que tienen lugar durante su recorrido a través de la atmósfera. Esta interacción entre la radiación solar y la atmósfera terrestre es debida principalmente a tres fenómenos: difusión, absorción y reflexión.

 Difusión. También denominado dispersión, es la interacción, dependiente de la longitud de onda, de la radiación con un medio, que provoca un cambio de dirección en la radiación, conservando su energía total y su longitud de onda. Aunque la radiación solar viaja en línea recta, los gases atmosféricos, el vapor de agua y los aerosoles pueden desviarla.

 Absorción. Los gases de la atmósfera son absorbedores selectivos de radiación solar. El oxígeno y el ozono absorben las radiaciones de longitud de onda inferior a 0,29 μm, librándonos de la radiación ultravioleta más peligrosa para la salud. Por otro lado, el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben principalmente las longitudes de onda situadas en el infrarrojo.

 Reflexión. La Tierra refleja una parte de la radiación solar que incide sobre ella. Se denomina albedo a la relación entre la radiación que cualquier superficie refleja y la que incide sobre la misma. Las superficies claras tienen un albedo mayor que las oscuras: por ejemplo, los albedos de las nubes y el hielo son mayores que los albedos de los bosques y los océanos. El albedo medio de la Tierra es del 31,3% aproximadamente. Procede en un 22,5% de la reflexión en las nubes y la difusión atmosférica, y en un 8,8% de la reflexión en la superficie terrestre.

El efecto atenuante de la atmósfera en la radiación solar y su distribución en las distintas bandas de radiación se pone de manifiesto en la figura 2.5, en la que puede observarse el espectro de la radiación solar antes y después de la atmósfera.

Figura 2.5. Influencia de la atmósfera en la radiación solar.

2.3 El balance energético en la Tierra

Si se considera que la temperatura media de la Tierra se mantiene prácticamente constante con el tiempo, la cantidad total de energía que entra a causa de la radiación solar deberá ser igual a la cantidad de energía radiada hacia el espacio. La irradiancia solar interceptada por la Tierra en la parte exterior de la atmósfera es de 1.367 W/m² (constante solar). Toda la superficie terrestre emite energía (superficie de una esfera); por el contrario, la constante solar hace referencia a energía por unidad de superficie perpendicular a los rayos solares (superficie de un círculo).

Esto significa que para efectuar el balance energético deberá considerarse una radiación solar incidente en la parte exterior de la atmósfera de 1.367/4 = 342 W/m² (ver figura 2.6 y tabla 2.2). El albedo es aproximadamente del 31,3%, por lo que se pierden hacia el espacio 0,313 x 342 = 107 W/m², aprovechándose la diferencia, es decir, 342 – 107 = 235 W/m². Pero si éste fuera el calor que realmente se absorbiera, la temperatura de equilibrio de la superficie de la Tierra sería inferior a los -20 °C. Por tanto, ¿qué es lo que ocurre realmente?

Figura 2.6. Representación simplificada de los flujos de energía entre el espacio, la atmósfera y la superficie terrestre.

De estos 342 W/m², llegan directamente a la superficie terrestre 98 W/m² e indirectamente llegan 100 W/m², dispersados por las nubes y los gases atmosféricos. De estos 198 W/m², 30 W/m² son reflejados por la superficie terrestre hacia el espacio, con lo cual ésta absorbe 168 W/m².

La superficie terrestre emite radiación infrarroja, cuya longitud de onda es mayor que la de la radiación solar incidente porque su temperatura es muy inferior a la del Sol. La atmósfera, debido a la presencia de determinados gases (gases de efecto invernadero), retiene una parte de esta energía y la cede a la superficie terrestre (324 W/m²), elevando su temperatura media a unos 14°C. Este fenómeno, sin el cual no sería posible la vida en la Tierra, es conocido como el efecto invernadero.

Tabla 2.2. Balance de calor en el planeta

2.4 El movimiento Tierra-Sol

El movimiento relativo de la Tierra respecto del Sol y respecto a sí misma justifica las posiciones del Sol respecto de un determinado observador en un lugar de la Tierra en la que se quiera hacer aprovechamiento de la energía solar. Por tanto, es importante considerar la posición de la Tierra respecto del Sol si queremos conocer la energía que podemos captar.

De nuestro sistema solar, la Tierra es el tercer planeta más próximo al Sol. La Tierra se mueve alrededor del Sol siguiendo una órbita casi elíptica y ligeramente excéntrica, siendo el Sol uno de sus focos. El plano que contiene esta órbita se denomina eclíptica. La Tierra tarda un año en recorrerla.

Simultáneamente, la Tierra presenta un movimiento de rotación, tardando 24 horas en dar una vuelta. El eje de rotación de la Tierra forma un ángulo de 23 27’ con la normal al plano de la eclíptica, siendo esta circunstancia la que da lugar a que el ccalentamiento de la Tierra sea variable (las estaciones del año), y a que la duración del día y de la noche varíe a lo largo del año (figura 2.7).

Las posiciones relativas del Sol y la Tierra determinan básicamente el comienzo de las cuatro estaciones del año: los dos solsticios (invierno y verano) y los dos equinoccios (primavera y otoño).

En el solsticio de invierno (22 de Diciembre), el Polo Norte se encuentra en la posición más alejada de los rayos solares, y todos los puntos de la superficie terrestre con latitudes superiores a 66,5N tienen noches de 24 horas, mientras que los puntos con latitudes superiores a 66,5S tienen días de 24 horas. En el solsticio de verano (21 de Junio), la situación es inversa a la anterior.

Figura 2.7. Movimiento Tierra-Sol.

En los equinoccios de primavera (21 de Marzo) y otoño (22 de Septiembre), los dos polos terrestres equidistan del Sol, es decir, la duración de la noche es igual a la del día (ver figura 2.8). Las posiciones de salida y puesta del Sol coinciden con el Este y el Oeste, respectivamente.

Equinoccio

Solsticio de invierno

Solsticio de verano

Figura 2.8. Duración de los días y de las noches en los solsticios y equinoccios.

Con la finalidad de determinar de forma precisa la intensidad de la energía solar que se puede captar en la Tierra, deberá tenerse en cuenta que la posición de ésta con respecto al Sol es variable.

Para facilitar el análisis de la problemática resultante de este posicionamiento variable, es práctico imaginar la perspectiva un observador situado en la Tierra, que viese todos los cuerpos celestes proyectados en una esfera de diámetro infinito. El centro de esta esfera, denominada esfera celeste, sería la Tierra. El ecuador de la esfera celeste coincidiría con el ecuador de la Tierra, de manera que el eje de giro de la esfera celeste sería el de la Tierra. La eclíptica formaría un ángulo de 23 27’ con el plano ecuatorial celeste. En la figura 2.9 se muestra esta disposición imaginaria.

La posición más alta del Sol en la eclíptica correspondería al solsticio de verano, y la más baja, al solsticio de invierno. Las intersecciones de la eclíptica con el ecuador celeste son el equinoccio de primavera y el de otoño.

Figura 2.9. La esfera celeste.

2.4.1 Ángulos básicos

A continuación definiremos algunos parámetros básicos que intervienen cuando se estudia la posición relativa del Sol y de la Tierra. Es necesario conocer estos parámetros si deseamos calcular la radiación solar que incide sobre una superficie con una determinada inclinación y orientación.

Latitud (φ)

Es la distancia angular, medida sobre el meridiano, entre una localización terrestre y el plano del Ecuador. Varía de 0 a 90o, siendo positiva en el hemisferio norte y negativa en el hemisferio sur (ver figura 2.10).

Longitud (λ)

Es la distancia angular, medida sobre el plano del Ecuador, entre el meridiano correspondiente y el meridiano origen. Dicho meridiano origen es el de Greenwich (meridiano 0). Los puntos situados al Este del meridiano de Greenwich tienen valor positivo, mientras que los situados al Oeste tienen valor negativo (ver figura 2.10).

Figura 2.10. Latitud y longitud.

Altura solar (αs)

Es el ángulo formado por la recta que une el Sol con el punto considerado (rayo incidente) y el plano tangente a la superficie terrestre que pasa por dicho punto. En el ocaso y al alba, α = 0o; al mediodía, α = 90o. El ángulo complementario de αs se representa por ξs y se denomina cenit solar.

Azimut solar (γs)

Es el ángulo que forma la proyección del rayo solar incidente sobre el plano tangente a la superficie terrestre, con la dirección Norte-Sur. Al mediodía, = 0; por la mañana el valor es positivo, y por la tarde, negativo.

Ángulo horario (ω)

Es el ángulo formado por las proyecciones, sobre el plano del Ecuador, del meridiano del punto considerado y la recta que une los centros de la Tierra y el Sol en aquel momento. Cada hora equivale a 15 de longitud. Al mediodía solar, ω = 0; por la mañana el ángulo horario es negativo, por la tarde es positivo. Por ejemplo, para las 9:00 horas (hora solar), ω = -45, y para las 17:00 horas (hora solar), ω = 75.

Declinación (δ)

Es el ángulo formado por el rayo incidente y el plano del Ecuador. La declinación varía según el día del año. Puede determinarse a partir de la siguiente expresión:

Donde n es el día del año. Sus valores extremos son + 23 27’ y -23 27’ en los solsticios de verano e invierno, respectivamente. En los equinoccios su valor es nulo. En estos cuatro puntos la declinación coincide con la oblicuidad de la eclíptica.

En la figura 2.11 se muestran estos ángulos.

Figura 2.11. Posición relativa del Sol respecto de un punto P.

Los ángulos anteriores se relacionan entre ellos a través de las siguientes expresiones:

La salida y la puesta del Sol pueden determinarse a partir de la ecuación (2.2):

Donde s es el ángulo horario de salida (o puesta) del Sol, que depende de la declinación y de la latitud:

La duración del día (Td) es dos veces el ángulo horario de salida (o puesta) del Sol:

2.4.2 El tiempo solar

El tiempo solar es una manera de medir el tiempo que se basa en el movimiento aparente del Sol sobre el horizonte, que permite definir el día solar. El día solar es el tiempo que transcurre entre dos mediodías solares sucesivos. Sin embargo, debe distinguirse entre tiempo solar verdadero y tiempo solar medio.

 Tiempo solar verdadero (TSV): se basa en el día solar verdadero, que es variable a lo largo del año debido a que la velocidad de traslación de la Tierra alrededor del Sol no es constante. El Sol está situado exactamente sobre el meridiano del lugar a las 12 horas TSV. Por tanto, la relación entre el ángulo horario (ω) y el TSV es:

Donde ω viene dado en grados.

 Tiempo solar medio (TSM): es el tiempo medido sobre la referencia del día solar medio, que es un promedio anual del día solar verdadero y equivale a 86.400 segundos. Coincide con el tiempo civil (TC), o tiempo local medio.

La diferencia entre el tiempo solar verdadero (TSV) y el tiempo solar medio (TSM) se denomina ecuación de tiempo (ET), y se calcula con la siguiente expresión:

Donde ET se obtiene en horas, y _ es el ángulo diario referido a la posición de la Tierra en el plano de la eclíptica, que se determina a partir de:

El tiempo universal (TU) es el tiempo referido al meridiano de Greenwich (longitud 0). En la península ibérica TU y TC coinciden.

El tiempo oficial (TO) es el que viene dado por los husos horarios. El globo terráqueo se halla dividido en husos o zonas horarias de 15 (360/24 horas= 15 por hora) que permiten sincronizar los relojes de una determinada región. Aunque en teoría la hora oficial tendría que ser igual a la hora civil del meridiano central del huso correspondiente, en la práctica cada país establece un tiempo oficial de acuerdo a criterios de comodidad, con lo cual los usos adoptan formas complejas, siguiendo las fronteras de los países.

La relación entre TO y TSV es la siguiente:

Donde: ε es la corrección de invierno (ε = 1 hora, de noviembre a marzo), o la de verano (ε = 2 horas, de abril a octubre);

λm la longitud del meridiano de referencia, que es Greenwich (λm = 0);

λ la longitud del lugar. Al Este de Greenwich es negativa, al Oeste de Greenwich es positiva.

2.4.3 Ángulos relativos a superficies inclinadas

Las superficies captadoras de energía solar deben interceptar la radiación tan perpendicularmente como sea posible. Por tanto, dichas superficies deberán inclinarse un cierto ángulo respecto del plano horizontal, y a su vez, deberán estar orientadas lo más meridionalmente posible mirando hacia el sur. Para poder calcular la energía que recibirá un captador, es necesario conocer el ángulo de incidencia de los rayos solares.

La posición del Sol se establece a partir de la altura (αs) y el azimut solar (γs). La orientación del captador queda definido a través de su ángulo azimutal (γc), que será positivo hacia el Este y negativo hacia el Oeste, y su inclinación (β) respecto del plano horizontal. En la figura 2.12 se muestran los ángulos más significativos.

Figura 2.12 . Ángulos relativos a superficies inclinadas.

El ángulo de incidencia de la radiación solar (θ) puede expresarse en función del resto de ángulos a través de la siguiente expresión:

En algunos casos concretos esta expresión puede simplificarse:

2.5 Irradiación solar extraterrestre

Para determinar la irradiancia extraterrestre sobre una superficie horizontal (Ie):

La constante solar varía ligeramente a lo largo del año debido a la pequeña excentricidad de la órbita terrestre. Esta variación puede determinarse a partir de la siguiente expresión:

Donde: In es la irradiancia extraterrestre para un día n del año (W/m²);

Ics la constante solar (1.367 W/m²);

N el día del año, empezando a contar desde el 1 de Enero y considerando que Febrero tiene 28 días, siendo n = 365 el día 31 de Diciembre.

Sustituyendo la ecuación (2.16) en (2.15):

La irradiación solar extraterrestre diaria sobre una superficie horizontal (He) se obtiene integrando la expresión anterior entre - ωs y + ωs (salida y puesta de sol):

En muchas ocasiones interesa calcular el valor medio mensual de la irradiación solar extraterrestre diaria sobre una superficie horizontal (). Se puede hacer básicamente de dos maneras:

1) Sumando los valores diarios y calculando el valor medio mensual.

2) Calculando la irradiación solar extraterrestre de un día tipo de aquel mes. La irradiación solar del día tipo se considera aproximadamente igual al valor medio de la irradiación solar diaria del mes. En la tabla 2.3 se muestran los días tipo para cada mes.

Mes | Día del año (n) | Fecha
Enero | 17 | 17 de Enero
Febrero | 47 | 16 de Febrero
Marzo | 75 | 16 de Marzo
Abril | 105 | 15 de Abril
Mayo | 135 | 15 de Mayo
Junio | 162 | 11 de Junio
Julio | 198 | 17 de Julio
Agosto | 228 | 16 de Agosto
Septiembre | 258 | 15 de Septiembre
Octubre | 288 | 15 de Octubre
Noviembre | 318 | 14 de Noviembre
Diciembre | 344 | 10 de Diciembre

Tabla 2.3. Días tipo.

2.6 Irradiación solar terrestre

La radiación solar total que incide sobre una superficie terrestre puede descomponerse en tres componentes: directa, difusa y reflejada.

 Radiación directa: como su nombre indica, es la que llega directamente del Sol sin cambios de dirección.

 Radiación difusa: los componentes de la atmósfera de menor tamaño (las moléculas que componen el aire, el vapor de agua y el polvo en suspensión) provocan cambios en la dirección de la radiación, originando la radiación difusa que llega desde toda la bóveda celeste.

 Radiación reflejada: procede del suelo, debida a la reflexión de las componentes directa y difusa en montañas, lagos, edificios, etc.

Generalmente la radiación reflejada es pequeña en comparación con las otras dos.

Las estaciones de medida determinan la radiación diaria que incide sobre una superficie horizontal emplazada en aquella zona. Por tanto, si se trata de una superficie inclinada tendrán que realizarse una serie de cálculos que se detallan a continuación.

El valor medio mensual de la irradiación total diaria sobre una superficie inclinada puede expresarse de la siguiente forma:

Donde: es el valor medio mensual de la irradiación directa diaria sobre el suelo;

el valor medio mensual de la irradiación directa difusa sobre el suelo;

el valor medio mensual de la irradiación total diaria sobre el suelo (se obtiene de tablas de radiación);

el cociente entre el valor medio mensual de la irradiación directa diaria sobre una superficie inclinada y el valor medio mensual de la irradiación directa diaria sobre el suelo;

P la reflectancia del suelo (valor comprendido entre 0,2 y 0,7).

es difícil de calcular porque depende de las condiciones meteorológicas, pero puede obtenerse a partir de la correlación de Liu y Jordan:

se denomina índice de nebulosidad, y se expresa como:

Donde se calcula según lo explicado en el apartado anterior.

Por otro lado, se puede aproximar con el valor que tendría si se tratara de superficies extraterrestres, a partir de la siguiente expresión:

Donde ωs es el ángulo horario de la puesta de sol para una superficie inclinada, que viene dado por:

Donde ωs se determina a partir de la ecuación (2.5).

2.7 Medición de la radiación solar

Para poder utilizar correctamente la energía solar es necesario conocer la radiación total, directa y difusa sobre superficies horizontales o inclinadas con un determinado ángulo respecto a la horizontal. Los instrumentos de medición empleados son el piranómetro, el pirheliómetro, el heliógrafo y la célula solar calibrada.

 Piranómetro. Se emplea para medir la irradiancia total, directa y difusa. Los más habituales se basan en tecnologías termoeléctricas. El piranómetro de Kipp y Zonen (figura 2.13) está constituido por una pila termoeléctrica contenida en un alojamiento con dos hemiesferas de cristal. La pila termoeléctrica está constituida por una serie de termopares colocados horizontalmente, cuyos extremos están soldados con unas barras de cobre verticales solidarias a una placa de latón maciza. El conjunto está pintado con un barniz negro para absorber la radiación. El flujo de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, generándose una tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares. Para medir la radiación difusa es necesario tapar el sensor de radiación directa mediante una pantalla parasol, midiendo entonces la irradiancia solar difusa (piranómetro de difusa).

Figura 2.13. Piranómetro Kipp & Zonen CM-21.

 Pirheliómetro. Sirve para medir la irradiancia solar directa (figura 2.14). Requiere que esté constantemente orientado hacia el Sol usando un dispositivo auxiliar. Mide únicamente la radiación del disco solar y de una corona circular del cielo.

Figura 2.14. Pirheliómetro Kipp.

 Heliógrafo. Se utiliza para medir la duración de la luz solar, es decir, el tiempo durante el cual la radiación solar directa es superior a un cierto umbral (figura 2.15). El más habitual es el heliógrafo Campbell-Stokes. Consiste en una bola de vidrio macizo que actúa como lente y concentra los rayos solares sobre una cartulina que se va quemando poco a poco. La longitud de los diversos tramos marcados en la cartulina determina las horas de insolación efectivas.

Figura 2.15. Heliógrafo Campbell-Stokes.

 Célula solar calibrada. Conectando una célula solar fotovoltaica calibrada a un galvanómetro, a un medidor analógico o a un data logger, se puede medir la corriente que genera la célula fotovoltaica. Al ser proporcional la intensidad generada con la radiación solar incidente, puede determinarse la irradiancia solar instantánea. Una vez realizado el montaje que se muestra en la figura 2.16, deberá exponerse directamente al Sol y ajustarlo de la siguiente manera: establecer 1.000 W/m2 como valor de fondo de escala, modificando los valores de la escala graduada que exista en el medidor de origen; repartir los valores de de radiación hasta llegar a 0 en el origen; colocar el medidor con la célula perpendicularmente a la radiación solar; medir la intensidad que proporciona la célula en aquel instante con un amperímetro; calcular la radiación en función del calibrado de la célula; conectar la célula al circuito de medición; actuar sobre la resistencia variable, ajustando la aguja indicadora en el valor de radiación calculado.

Figura 2.16. Esquema eléctrico del medidor de radiación de célula calibrada.

2.8 Fundamentos físicos del aprovechamiento de la energía solar

2.8.1 El cuerpo negro

La radiación térmica es la emisión de calor, por parte de un cuerpo, en forma ondas electromagnéticas. Dicha radiación es debida a la propia temperatura del cuerpo (T > 0K). Mientras que la transmisión de calor por conducción y convección sólo es posible a través de un medio material, la radiación térmica puede transmitir calor a través de un fluido o del vacío.

Un emisor perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie que viene dada por la ecuación de Steffan-Boltzmann:

Donde: es el calor radiante (W);

σ la constante de Steffan-Boltzmann

A el área de transmisión (m2);

T la temperatura absoluta de la superficie (K).

A efectos prácticos, el Sol se puede considerar como un cuerpo negro que emite energía a una temperatura de unos 6.000K. El concepto de cuerpo negro es una idealización que permite cuantificar el fenómeno de la radiación empleando la ecuación de Steffan-Boltzmann.

Un cuerpo negro es cuerpo ideal capaz de absorber toda la radiación que incide sobre él. A su vez, debido al primer principio de la termodinámica, es necesario que sea un emisor perfecto (en caso contrario se iría calentando paulatinamente). El espectro de emisión de un cuerpo negro sólo depende de su temperatura y es independiente de la naturaleza del cuerpo. Obedece la ley de Planck, que se expresa matemáticamente de la siguiente manera,

Donde: Eb es el poder emisivo espectral o poder emisivo por unidad de longitud (potencia por unidad de superficie y de longitud, W/m³);

c la velocidad de la luz en el vacío (3x10⁸ m/s);

h la constante de Planck (6,626x10⁻³⁴ J·s);

λ la longitud de onda (m);

kB la constante de Boltzmann (1,381x10⁻²³ J/K);

T la temperatura absoluta del cuerpo (K).

Si se representa gráficamente la ecuación anterior puede verse que cuando la temperatura aumenta, el poder emisivo aumenta, se emite más energía para longitudes de onda corta, y la posición del máximo se desplaza hacia longitudes de onda más cortas (figura 2.17).

Figura 2.17. Representación gráfica de la ley de Plank para distintas temperaturas del cuerpo emisor.

Los cuerpos reales, sin embargo, no son negros. Es decir, absorben y emiten radiación a distintos niveles siempre por debajo del nivel de absorción y emisión del cuerpo negro a la misma temperatura.

2.8.2 Absorbancia

Cuando incide radiación sobre un cuerpo, una parte de la radiación es absorbida y el resto reflejada. La absorbancia (α) es la relación entre la radiación absorbida y la incidente:

Los valores de la absorbancia varían entre 0 y 1, siendo 1 para un cuerpo negro. Los cuerpos reales tienen absorbancias menores que 1. En el caso de una superficie que sea plana o que pueda asimilarse a una superficie más o menos plana, al incidir la radiación solar parte de la radiación se absorbe y la superficie se calienta. El color de la superficie influye en la temperatura que alcanza la superficie.

Superficies idénticas pintadas con colores distintos alcanzarán temperaturas distintas si las exponemos al Sol. De todos los colores, el negro es el que posee una mayor absorbancia, especialmente el color negro mate. Una superficie brillante, como un metal pulido, reflejará la mayor parte de radiación solar incidente, calentándose poco.

2.8.3 Emitancia

La emitancia (ε) de un cuerpo es la relación entre radiación que emite dicho cuerpo y la que emitiría un cuerpo negro a la misma temperatura,

La emitancia, que toma valores comprendidos entre 0 y 1, es un indicador de la capacidad de enfriamiento por radiación de un cuerpo. Suponiendo que tengamos dos cuerpos, con el mismo calor específico y la misma masa, y que ambos se encuentren a la misma temperatura: el cuerpo que tenga una mayor emitancia se enfriará antes, suponiendo que ambos se enfrían únicamente por radiación. Así, si calentamos dos cuerpos iguales de la misma masa y el mismo calor específico a una misma temperatura, y dejamos que se enfríen por radiación, se enfriará antes el que tiene mayor emitancia.

Por tanto, para que el cuerpo alcance temperaturas elevadas serán necesarias una absorbancia elevada y una emitancia reducida. Sin embargo, la absorbancia y la emitancia varían con la longitud de onda de la radiación.

2.8.4 Superficies selectivas

Consideremos una superficie que reciba energía del Sol. La figura 2.18 nos muestra que la superficie recibirá del Sol principalmente radiación visible (entre 0,38 y 0,78 μm, aprox.) e infrarroja cercana (próxima al rojo, entre 0,78 y 2,5 μm aprox.). En cambio, la superficie emitirá radiación infrarroja media y lejana (mayor que 2,5 μm, figura 2.19), suponiendo que pueda estar a unos 80 °C. Por tanto, el comportamiento deseable para la superficie sería que tuviera una elevada absorbancia para la radiación visible e infrarroja cercana, y una reducida emitancia para la infrarroja media y lejana. Este tipo de comportamiento es el que caracteriza a las superficies selectivas.

Figura 2.18. Poder emisivo del Sol (T= 6000 K).

Figura 2.19. Poder emisivo de un cuerpo a 353 K.

La relación entre la absorbancia y la emitancia de una superficie se denomina selectividad:

Por ejemplo, si la absorbancia de una superficie es 0,7 y su emitancia, 0,2, su selectividad será de 0,7/0,2 = 3,5. La selectividad de las superficies no selectivas o normales es igual a la unidad debido a que, en tal caso, absorbancia y emitancia coinciden (ley de Kirchhoff).

Una superficie selectiva suele estar constituida por una placa de metal muy pulido, sobre la que se depositan, por medios mecánicos, químicos o electroestáticos, partículas cuyo tamaño medio es cercano a la longitud de onda de la radiación incidente. Por un lado, estas partículas no pueden emitir radiación cuya longitud de onda sea significativamente mayor que su propio tamaño; por otro, la superficie de metal muy pulido tendrá una emitancia reducida.

La degradación de una superficie selectiva hace que su selectividad disminuya. La disminución de la selectividad puede ocurrir si disminuye la absorbancia, o bien si aumenta la emitancia, aunque lo habitual es que ambas cosas ocurran simultáneamente, con lo que la selectividad disminuye bruscamente. Deberá tenerse en cuenta que un captador solar con una superficie muy selectiva puede comportarse de forma muy distinta al cabo de unos años de funcionamiento.

Como causas que disminuyen el valor de la absorbancia están las siguientes: decoloración del pigmento, alteraciones físicas del pigmento, agrietamiento y/o desprendimiento (especialmente en caso de pinturas), etc.

Tabla 2.4. Selectividades de algunos tratamientos.

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