Energia solar directa : Generacion de electricidad y agua caliente

La energía solar directa proviene de las reacciones termonucleares que ocurren en el sol, causando la emisión de radiación electromagnética de muy alta potencia, siendo sustancialmente como un ” cuerpo negro ” a 5 800 K.

Fuera de la atmósfera, la radiación recibida por la tierra varía según el período del año entre 1350 y 1450 W / m2. Luego es parcialmente reflejado y absorbido por la atmósfera, de modo que la radiación recibida en el suelo tiene una parte directa y una parte difusa , el total varía entre 200 W / m2 (nublado) y aproximadamente 1000 W / m2 (En el cenit por cielo despejado). 

La energía recibida por una superficie dada, por lo tanto, depende de las condiciones climáticas del lugar, así como de su inclinación y orientación. Los atlas de radiación solar en el suelo son publicados por los servicios meteorológicos nacionales o internacionales, en forma de mapas y tablas, en papel o en computadora.

La sección “Simulación de sistemas de energía solar” bajo el título “Guías metodológicas” proporciona metodologías de cálculo para estimar el recurso solar.

La conversión directa de la radiación solar se realiza de tres formas principales:

• en forma termal ;

• por efecto fotoeléctrico ;

• por fotosíntesis .

La conversión térmica de la energía solar consiste en interceptar fotones incidentes en un material absorbente, cuya temperatura se calienta.

Son posibles varios modos de captura:

• Carcasa solar pasiva : para aplicaciones de calefacción y refrigeración de espacios, es posible diseñar la arquitectura de los edificios de manera que optimicen de forma natural o pasiva el uso del recurso solar, sin uso de fluidos de transferencia de calor que no sean aire y dispositivos auxiliares de captura y almacenamiento. El interés del diseño solar pasivo de edificios es que puede conducir a ahorros sustanciales de calefacción con bajos costos adicionales;

• los colectores planos generalmente usa el efecto invernadero para limitar las pérdidas de calor del absorbedor. De hecho, el vidrio es transparente para la radiación visible y, por lo tanto, permite que pase la energía solar incidente, pero opaco para la radiación infrarroja, que tiene el efecto de atrapar las calorías absorbidas. Dependiendo de las tecnologías utilizadas, las temperaturas de funcionamiento de los colectores planos varían de 40 ° C a 120 ° C (colectores de vacío). La siguiente figura muestra la vista en sección de un sensor plano. El absorbedor consiste en una placa metálica sobre la cual se sueldan tubos en los que circula el refrigerante. Las pérdidas térmicas hacia la cara frontal del sensor se reducen en uno o más acristalamientos (2 en la figura) y en la parte posterior por un aislante;

• los sensores de concentración : para alcanzar temperaturas superiores a aproximadamente 120 ° C, es necesario concentrar los rayos solares mediante conjuntos apropiados de elementos reflectantes (espejos) o lentes (generalmente Fresnel). La principal limitación, además del mayor costo de los dispositivos, es el sistema de seguimiento diseñado para seguir al sol en su curso. Se ha propuesto y desarrollado toda una serie de concentradores;

• La conversión termodinámica de la energía solar permite obtener electricidad de un motor térmico cuya fuente de calor recibe su calor de los sensores, generalmente a una concentración. Sin embargo, los costos de este sector y las dificultades tecnológicas encontradas hoy limitan su alcance de aplicación.

La experiencia de los últimos treinta años muestra que cuatro tecnologías principales permiten en la práctica alcanzar la concentración de radiación solar en condiciones técnicas y económicas viables:

• el cilindro parabólico ;

• los concentradores de lentes de Fresnel ;

• los sensores de satélite ;

• la torre de energía .

Las primeras tecnologías necesitan seguir el movimiento del sol solo en una dirección, pero la concentración, y por lo tanto la temperatura de captura, son más bajas (400 ° C). Los otros dos requieren un movimiento de seguimiento doble, pero pueden alcanzar temperaturas mucho más altas (750 – 1000 ° C).

Los sensores cilíndrico parabólicos (concentración C ≈ 40-80, figura a continuación) son cilindros de sección recta parabólica, que permiten concentrar la radiación solar en un tubo rectilíneo.

Los concentradores lineales Fresnel o CLFR (C ≈ 30, figuras a continuación) utilizan espejos planos rectangulares estrechos para enfocar la luz solar en un absorbedor fijo que consiste en una serie de tubos paralelos;

En los sensores parabólicos (C ≈ 1000-2500, figura a continuación), el reflector es un paraboloide de revolución.

En las plantas de la torre (C ≈ 200-700, figura a continuación), miles de reflectores en movimiento, llamados heliostatos , dirigen la radiación solar incidente a un absorbedor ubicado en la parte superior de una torre, obteniendo así altas concentraciones y altas potencias.

La foto a continuación ofrece una visión general de algunos heliostatos vistos a corta distancia.

La foto a continuación muestra la torre de la central eléctrica Gemasolar en España iluminada por heliostatos.

La energía fotovoltaica se obtiene por semiconductor dopado que, bajo el efecto de los fotones incidentes producen un DC, los fotones con suficiente energía para los electrones para saltar desde el nivel de excitación (véase la figura -Dessous).

Esta foto muestra una célula fotovoltaica que se está probando.

Las células se ensamblan para formar paneles fotovoltaicos.

Inicialmente desarrolladas para suministrar electricidad a los satélites, las células solares están encontrando cada vez más aplicaciones terrestres, desde calculadoras hasta generadores solares de alta potencia.

Su principal interés es su facilidad de uso: sujetos a la radiación solar directa o difusa, producen electricidad directamente, sin partes , y requieren solo un mantenimiento simple.

Los materiales utilizados son esencialmente silicio, que, según su estado cristalino, conduce a rendimientos variables (20% para el cristal único, 15% para el policristal, 8% para el silicio amorfo, mientras que el rendimiento máximo teórico es 43,5%). Se están estudiando otros materiales, como el arseniuro de galio, y se están realizando progresos constantes año tras añ.